太阳能转换装置及空气循环系统 本发明涉及一种包括带太阳能电池的集热板的太阳能转换装置以及使用该装置的房间空气循环系统。本发明还涉及一种控制光电转换器温度的方法。
所谓的Staebler-Wronski效应作为一种现象在已有技术中是已知的，这种现象即当在阳光下时，像利用非单晶半导体那样的太阳能电池的光电传感器会导致转换效率随时间的下降。对于其控制来说，有效地保存装置的热或有效地加热也是已知的。
本发明者做了一个实验，获得了如图10所示的结果。图10示出了当太阳能电池分别保持在0℃、20℃、50℃和80℃时，转换效率是如何随时间变化的。如从中所看到的那样，随着以较高的温度不断加热太阳能电池并且加热较长的时间，则转换效率有些下降。
除了这些数据外，日本专利公开第7-58799号公开了能够防止由于暴露在阳光下而产生性能下降的光电传感器，它们是通过用热绝缘材料将光电传感器密封起来以便于使装置的操作环境温度能够高于室外温度。
日本专利申请公开第7-120811号公开了一种保护膜，这种加入了黑色素的膜位于由非晶体硅形成的太阳能电池的背面上，这样装置能够保持较高的温度避免其性能下降。
然而，仅仅只依靠热绝缘材料来长时间地保持一个高于室外温度的温度使得热绝缘材料的成本非常高。此外，尽管夜间地面辐射热量，但此热量不能用于保持装置的热。本发明人测试了利用热绝缘材料保持热量的结构的效果并得出了如表1所示的结果。一个装置用作为热绝缘材料地50mm厚的聚苯乙烯片密封起来，另一个装置不用热绝缘材料密封，然后对这两种装置一天内的温度变化进行测试。如所看到的结果，即使在用热绝缘材料密封该装置的情况下温度仍然在黎明变得比室外温度更低。这可能是由于装置在夜间不能接收来自地面的辐射热。要想保持日间的高温需要大量的热绝缘材料。
即使使用加入了黑色素的保护膜，该装置也不能保持在很高的温度。
此外，日本专利公开第3-48299号公开了一种″无源太阳能系统房屋″，其中被太阳的热加热的空气从屋顶与天花板之间的空间抽出，经一个管道进入房间，并且此热量贮存在位于底下的混凝土块中，以便房间能够有效地保持温暖。
由于利用了回收的能量，适当地形成了这种空气循环系统，但是用于循环空气的风扇需要外部供给的能量。
为了解决上述问题，本发明提供了一种太阳能转换装置，该装置包括一个含有非单晶半导体的光电传感器和用于通过一种流动的加热介质来向光电传感器提供热量的装置。这样构成的装置易于确保光电传感器的温度控制。特别是它能够避免传感器的温度下降，并且也能够避免光引起的性能下降。
本发明还提供了一种空气循环系统，该系统包括一个带有室外空气入口的集热板、一个室内空气入口、一个可以转向室外空气入口又可以转向室内空气入口的阀、一个空气流动通道、一个空气出口、一个太阳能电池、一个将从空气出口抽出的空气导入室内的第一管道、一个将从空气出口抽出的空气排出室外的第二管道、一个既可转向第一管道又可转向第二管道的阀和一个使从空气出口抽出的空气流动的风扇，其中风扇的电能由太阳能电池提供。这样，可以提供自行驱动空气循环系统。该空气循环系统能够避免太阳能电池的光电性能的下降，并能够利用阳光的热能。
本发明另外还提供了一种控制光电传感器的温度的方法，该方法包括使空气沿着位于含有非单晶半导体的光电传感器背面的空气流动通道流动，以此来控制光电传感器的温度。
图1表示本发明的空气循环系统。
图2A和2B分别示出了沿图1中2A-2A和2B-2B剖开的截面图。
图3A表示夏季日间本发明的空气循环系统是如何进行空气循环的。
图3B表示夏季夜间本发明的空气循环系统是如何进行空气循环的。
图4A表示冬季日间本发明的空气循环系统是如何进行空气循环的。
图4B表示冬季夜间本发明的空气循环系统是如何进行空气循环的。
图5表示本发明的一种自动控制空气循环系统。
图6A和6B分别是一个透视图和一个剖面图，它们表示出本发明的集热板。
图7A表示冬季日间本发明的空气循环系统是如何进行空气循环的。
图7B表示冬季夜间本发明的空气循环系统是如何进行空气循环的。
图8A表示夏季日间本发明的空气循环系统是如何进行空气循环的。
图8B表示夏季夜间本发明的空气循环系统是如何进行空气循环的。
图9A是本发明树脂密封的太阳能电池的剖面图。
图9B是本发明光电传感器的剖面图。
图10是温度与光电转换器由于光的作用而使其性能下降之间的关系曲线图。
本发明的这种装置基本上包括下述(a)和(b)。
(a)一个作为屋顶材料使用的太阳能转换装置，该装置被制造成在户外空气中具有较高的耐热性，并且插在传统所应用的屋顶材料和位于屋顶材料与房屋内部材料中间的形成热绝缘结构的热绝缘材料之间。更确切地说，热绝缘材料一般应用在屋顶材料的背部，这里只要使光电传感器在它的光入射侧具有较高的耐热性就能够具有热绝缘性能。以此方法构成这种结构，使得整个系统在制成传统的热绝缘结构时存有争议的热绝缘材料的成本有效地降低了。
(b)一种上述太阳能转换装置的结构部件，该部件带有一个与有较大热容量的空间(主要是房屋)相通的可控开-关孔。晚上当该装置的温度下降时，此孔是打开的，这样，装置受热空间的热的作用从而防止光电传感器温度下降。更确切地说，通常用作房子屋顶材料的太阳能转换装置使处在下面的房间具有较大的热容量并在晚上保持温暖，它在有热绝缘材料时比没有热绝缘材料时能更多地引起温度下降，由于受光照射导致性能下降加速，这是与表1所示实验结果中的使用热绝缘材料的装置在黎明和晚上温度较低的情况一致的。在本发明中提供了一种能够解决这个问题并使转换装置夜间能接受房间内部的热的装置，以便使光电转换器保持在较高的温度，因此可以有效地防止由于受光照射而产生的性能下降。
下面将通过给出的特定实施例来描述本发明。
本发明的第一实施例将首先描述应用在常用的屋顶材料中的本发明装置的最基本的结构。在此实施例中，装置将被设置在屋顶中，当然，它也可以用在墙壁中。
本实施例的完整简图在图1中示出，屋顶的详细层结构图示在图2A和2B中。
屋顶具有本发明太阳能转换装置的房屋主要由一个室外空气入口101、一个从房间吸取空气的室内空气入口102、一个空气流通通道103、一个用于选择将流入空气流动通道的空气的阀104、一个用于产生空气对流的风扇105、一个光电转换器106、一个用于从空气流动通道中流出空气的出口107、一个相对室外空气热绝缘的玻璃板108、一个用于将空气排放到室外空气中的空气排放出口109、一个室内空气吹出口110以及一个用于选择空气排放出口109的阀111构成。
图2A和2B分别示出了沿图1中2A-2A和2B-2B的截面图。具有本发明太阳能转换装置的屋顶材料主要由框架材料201、热绝缘材料202、框架材料203、防水层204、空气流动通道103、光电转换器106、隔热空气层207以及玻璃板108构成。沿2B-2B剖开的剖面的图2B中表示出了传统金属屋顶的结构，这里标号209表示由镀锌铁皮或类似材料制成的传统金属屋顶，210是构成屋顶时形成的一个空隙。
图3A和3B表示夏季太阳光辐射量较大时本发明空气流动的路径。图3A表示日间的流动路径，图3B表示夜间的流动路径。在夏季的日间，大量降低光电传感器的保护作用的热传给了此传感器，因此填充物和接线元件可能受到不利的影响。此外，已通过位于屋檐处的室外空气入口101进入的室外空气被允许沿着在防水层204和光电传感器106之间形成的空气流动通道103流向屋脊。在这个路径中，空气冷却由于受光的照射而具有较高温度的光电传感器106，并经过风扇105从空气排出口109排出。用这种方法驱动的系统能够在维持足以避免光作用引起的性能下降的温度下使构成元件受热作用的不利影响比较小。在屋顶下流动的空气层还能起到一个将屋顶材料的热量与房间隔离的热绝缘材料的作用，因此能够提高房间的冷却效率。
在此期间，当夏季阳光辐射量较小时，例如在夜间，阀104关闭转向室内一侧，这样房间中的空气被允许经空气入口102流进空气流动通道103，由此能够避免光电传感器106受到辐射而冷却并且也能够排出进入房间的热量。
图4A和4B表示冬季阳光辐射量较大时本发明空气流动的路径。图4A表示日间的流动路径，图4B表示夜间的流动路径。在冬季的日间，已通过位于屋檐处的室外空气入口101进入的室外空气被允许沿着在防水层204和光电转换器106之间的空气流动通道103缓慢地流向屋脊。在这个路径中，空气冷却受光照射而具有较高温度的光电传感器106，并且空气自身被加热到一个较高的温度。如此被加热的空气借助风扇105经室内出风口110抽进房子内部来使房间温暖。
另外，通过控制阀111的节流动作能够调节房子内部的温度。
在此期间，当冬季阳光辐射量较小时，例如在夜间，阀104切换转向室内入口102一侧，并且阀111也完全切换转向室内一侧，这样从室内出风口110吹出的热空气在室内循环，由此房间内的热空气能够用来加热光电传感器106，并且限定在室内热空气也能够回流有效可利用地使空气保持温暖。
作为本发明的第二实施例，下面将描述具有热贮存元件的一个系统。本实施例是本发明应用于无源太阳能系统房屋的一个例子。
本实施例的完整简图图示在图7A中，集热板的详细结构图示在图6中。
在本实施例中，作为一个太阳能集热区的系统确保有一个处在屋顶材料501和热绝缘材料202之间的空气流动通道103以及空间内部的一个作为太阳能转换装置的集热板502。该系统还包括一个位于屋檐处的作为加热介质的空气的入口的室外空气入口101、一个管道506和一个将热空气抽入房子内部的风扇105、积聚和储存热量的混凝土508、将热空气送入房间的室内出风口110以及一个用于选择流入集热板的空气量的阀104。风扇105的内部带有一个控制空气流向室内或室外的阀。
图6A和6B分别是带有一个非晶体光电转换器106的集热板502的透视图和剖面图。此集热板的外部框架601有一个使外部空气流入的外部空气入口101′、一个从室内流入空气的室内空气入口102和一个空气流出口107。外部框架601的一侧形成一个窗口604，因此阳光605能够从窗口射入。光电传感器106以其能够暴露在射入的阳光下并把由外部框架限定的空间分成两部分的方式设置。光电转换器106吸收阳光605来产生热量，并将热量传送给不接收光那一侧的空气607。通过外部空气入口101′或内部空气入口102进入的流动空气被空气流动通道103′中的光电传感器106加热，然后从出口107流出。这里接收光一侧的空气不作为加热介质来利用，因为只使用窗口材料不能确保具有足够的加热作用，因此光接收侧的空气被用来作为具有高隔热性的隔热材料。这里所使用的装置也可具有翅片的结构，这样能够使光电传感器106背面的热阻较低或者可使光电传感器的背面是暗颜色的。这对改善热传导是有效的。
当然光电传感器106产生电能，并且其结构使产生的电能从光电传感器106的非接收光侧取出并进一步经连接电缆(未示出)引到外部。该电能可用作驱动风扇105，因此该空气循环系统能够靠自身驱动而不需要外部电力供给。
图7A和7B表示冬季阳光辐射量较大时无源太阳能系统房屋的空气流动路径。图7A表示日间的空气流动路径，图7B表示夜间的空气流动路径。在冬季的日间，通过位于屋檐处的外部空气入口101进入的空气被允许沿着在屋顶材料501和热绝缘材料202之间形成的空气流动通道103缓慢地流向屋脊。在这个路径中，空气受阳光照射而具有较高温度的屋顶材料501加热，且空气也变得具有较高的温度。一般来说屋顶材料501受阳光照射达到80℃到90℃，但空气流动通道103中的空气的温度最大为60℃，因为热散失到外部空气中了。而且刮风时，无论阳光多么强，热都会大部分散失掉。此外，为了进一步使空气流动通道103中的空气升温，集热板502设在屋脊附近。已上升进入正处在屋顶下的空气流通路径103的空气被允许经外部空气入口101′流入集热板502。在屋顶材料501下面的空气流动路径103和集热板502内部的空气流动路径103′中加热的80℃或更高温度的热空气由风扇105抽入房间内部，经过管道506加热位于地板下面的混凝土508，这样将热贮存起来以便在必要的时候经室内空气吹出口110来利用所贮存的热。
此时，集热板502中的光电传感器要达到80℃到100℃的高温。因为非晶体半导体是有耐热性的，光电传感器不会引起较大的性能下降。
在这期间，当太阳辐射量较小时，例如在夜间，阀104切换到室内空气入口102一侧，因此从室内空气吹出口110吹出的热空气进行循环，这样房间能够保持温暖，并且也能够防止光电转换器受辐射而冷却。
图8A和8B表示当夏季太阳辐射量较大时无源太阳能系统的空气流动路径。图8A表示日间的路径，图8B表示夜间的路径。在夏季的日间，通过位于屋檐处的温暖空气入口101进入的空气被允许通过在屋顶材料501和绝热材料202之间形成的空气流动路径103流向屋脊。在这个路径中，空气被由于阳光照射而达到高温的屋顶材料501加热，但因为以很高的转速驱动风扇所以空气几乎不上升至高温。然后，已进入正好处在屋顶下的空气流动通道103的空气被允许经外部空气入口101′流入集热板502，冷却光电传感器106，并经过管道从空气排出口109排出。
以这种方式驱动的系统能够控制光电传感器的温度过度上升。此外，在屋顶下流动的空气层也可起使屋顶材料的热与房间隔开的绝热材料的作用。
在这期间，当太阳辐射量较小时，例如在夜间，阀104被切换到室内空气入口102一侧以便室内空气可以流入，由此能够防止光电传感器106受辐射而冷却，进入房间的热也能够排出去。
在本实施例中，房子的空间被用来在夜间保持光电传感器的热量。例如，当在夏季夜间使用房间冷却器时，将该房间冷却器室外单元的空气流出口与室内空气入口102连接起来也是可行的，这样空气能够经位于屋顶的光电传感器106排出。如果利用加热器或洗浴水的废热也能够维持一个较高的温度。
在冬季、夏季的日间和夜间控制空气路径的方式已在上面描述了。由于不同的地区这些季节的大气温度和太阳辐射量不同，因此，如系统即使在天气较冷的夏季也可以按照冬季的模式来运行。此外，也能够通过使用温度传感器的自动装置来进行这种控制。
下面将参照附图5描述一种典型的使用自动装置进行这种控制的方法。
在图5中，标号507和509表示温度传感器，其中传感器507监测室内温度，而传感器509监测室外温度。室外温度由室外温度传感器509来检测，太阳辐射量是根据位于集热板中的光电传感器所产生的电能或其电压来测得的。根据所测的结果，由控制单元510来选择夏季的日间或夜间模式和冬季的日间或夜间模式。也可以测得房间的温度和光电传感器的温度，因此能够高效率地测出夜间转向加热介质的时间。而且，也能够在考虑了如进行了房间的冷却或加热的特殊情况下执行这种控制。
下面将参照附图6A和6B详细描述本发明整体型集热板太阳能电池和空气循环单元。
-太阳能电池组件-
如图9A所示，太阳能电池组件106包括背部加强件910，它的背部设有背部覆盖膜914；用填充物912密封在其中的光电传感器911，保护膜913覆盖在该光电传感器911上。
1)背部加强件(背板)：
背部加强件910可分别由下述材料中的一种制成：各种金属板，特别是如镀锌铁板的绝缘金属以及碳纤维、FRP(玻璃纤维增强塑料)、陶瓷和玻璃。
2)光电传感器：
最好使用一种非晶体硅太阳能电池作为光电传感器911，因为它在高温下具有良好的特性。该光电传感器的构成可如图9B所示。
太阳能电池911由导电基片901、背部反射层902、半导体层903、透明的导电层904和集电极905构成。
导电基片901包括一层不锈钢板、一层铝板、一层铜板、一层钛板、一层炭板、一层镀锌铁板和如聚酰亚胺、聚酯、聚萘、二甲酸乙二醇酯和环氧树酯的树酯膜层或如玻璃板的陶瓷板，这些在基层中形成导电层。
背部反射层902可以使用金属层、金属氧化层或金属层和金属氧化层的复合层。其中的金属材料可以使用钛、铬、钼、钨、铝、银、铜、镍和类似物质。金属氧化材料可以使用氧化锌、氧化钛、氧化锡和类似物质。
上述金属层和金属氧化层可以通过包括电阻加热蒸发、电子束蒸发和溅射的过工艺形成。
半导体层903可以具有使用如Si、SiGe或SiC的非晶物或微晶体材料的针状结构，并且这种结构是通过高频等离子体加速CVD或微波等离子体加速CVD而形成的。该层可以在许多处具有针装结构。
为了形成透明导电层904，可以使用上述氧化金属。
集电极905可以由用导电性胶印刷的掩蔽屏构成，或者通过固定一根用如碳膏这样的导电性胶制成的金属线(如铜线)而构成。
3)保护膜：
最好使用如聚乙烯-四氟乙烯、聚三氟乙烯和聚氟乙烯的氟树脂作保护膜913的材料，因为它们具有较好的耐气候性。通常氟树脂膜粘合力较差，因此该膜用于粘合的表面必须进行电晕处理或底层涂覆。
4)背部覆盖膜(背膜)：
背部覆盖膜914对确保光电传感器与背部加强件之间的绝缘是必须的，因此它需要具有绝缘性。该材料包括尼龙和聚对苯二甲酸乙二醇酯。背部覆盖膜也可以通过在背部加强件上涂覆一层绝缘材料而形成。
5)填充物：
可以使用如EVA(乙烯-乙酸乙烯酯共聚物)、EEA(乙烯-丙烯酸酯共聚物)、丁醛树脂、有机硅树脂和环氧树脂作填充物912的材料。该填充物可以带有一个无纺玻璃纤维板以便提高耐划伤的能力。它也可以含有一个吸收紫外线的紫外线光吸收器。
-外部框架601-
外部框架最好由具有高抗热绝缘性能的结构材料制成。例如，使用木材、聚苯乙烯、硅酸钙、泡沫苯乙烯或这些物质的任何一种合成材料。在这个实施例中，使用了至少20mm厚的结构材料，因此外部框架能够具有较高的绝热功能。该外部框架可以从屋檐延伸到屋脊，或者如图5所示形成屋顶斜面的一部分。它也可以由一些连接起来的外部框架形成。
-窗口604-
窗口最好有具有较高光透过行和较高热绝缘性的材料制成。例如，使用玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯酸系树脂、尼龙或类似材料。通过使用如橡胶粘合剂、有机硅粘合剂或丙烯酸粘合剂的粘合剂可以将窗口材料固定在外部框架601上。在本实施例中，使用3mm厚的玻璃并且至少30mm厚的热绝缘密封空间位于玻璃和光电传感器之间。
-外部空气入口101、101′，内部空气入口102-
这些是用于能够使空气从其流入的装置。还可以设置一个防止灰尘或类似物质进入的过滤器，或者设置一个阻止空气中的酸性物质的化学过滤器。外部空气入口101′和内部空气入口102相邻设置，并带有一个使空气流出室外或流入室内的控制阀。也可以设置一个截流阀以便可控制空气的流量。
-空气流出口107-
这是一个使空气或水排出的装置。还可以设置一个防止灰尘或类似物质进入的过滤器，或者设置一个阻挡空气中的酸性物质的化学过滤器。也可以设置一个截流阀以便控制空气的流量。
-屋顶材料501-
作为具有良好耐腐蚀性和良好加工性的金属材料，可以使用镀锌铁板或类似物。这样可以用轧辊成型机或类似装置来使金属材料折弯以易于使用。此外，屋顶材料也可以用如氯乙烯的塑料材料或陶瓷材料形成。
热绝缘材料202-
插在屋顶材料和房屋之间的热绝缘材料通常可包括草纤维和泡沫塑料。
-管道506-
管道506是一个将在集热板502中加热的空气送入位于地板面下的贮热件的管道。该管道的内层用镀锌铁板制成，而镀锌铁板四周是一层高绝热性的材料，例如，玻璃棉或泡沫塑料，以避免热的散失。
-风扇105-
风扇105是一个使在集热板502中加热的空气释放出去或者使该热空气经过管道506流入位于地板下面的热贮存件中的装置。考虑到维修的备用状态，这里使用交流电机。当不必进行系统的连接时可以使用直流电机驱动风扇。
在风扇的后面，连接一个设定空气循环路径的的阀(未示出)，以便能够与位于集热板502中的阀104一起控制室内空气的循环。
-热贮存件508-
这是一种只要能够形成贮存日间产生的热并于夜间释放此热的任何具有较大热容量的物质。实际中从成本上考虑，由于混凝土的成本低，因此被广泛使用。贮存热的混凝土广泛使用其固态形式。该混凝土的表面可以制成较大面积的面以便以更高的效率吸收和释放热。此外，也可以使用石头、砖、水或类似物质。
为了进一步证实本发明的保温效果，在日本的东京根据本发明上述的第一和第二实施例建造了实验房屋，这些房屋分别按照第一和第二实施例进行实验。作为一个比较实施例，一个与EVA或类似物质密封在一起并具有相似性能的非晶体光电传感器模型被放置在地上。记录各个系统中光电传感器的温度。
夏季和冬季随时间的温度变化分别在表2和表3中示出。在实施例1和实施例2中，夏季不用如房间冷却器之类的冷却设备。在实施例1中，冬季使用房间加热器。在实施例2中，冬季不使用房间加热器。在表2和表3中″*″代表日间模式。
如从表2和表3中所看到的那样，本发明的实施例在保持温度方面显示了优越性。
表1时间 外部空气温度 没有热绝缘材料 有热绝缘材料
的模型 的模型
(℃) (℃) (℃) 4：00 (27) 26 23 8：00 (29) 49 5512：00 (36) 64 8416：00 (35) 47 6520：00 (31) 30 3024：00 (29) 28 26
表2时间 外部空气温度 实施例1 实施例2 比较实施例
(℃) (℃) (℃) (℃) 4：00 (24.1) 28.1 29.3 22.4 8：00 (30.3)* 48.3 47.4 41.912：00 (36.3)* 82.3 81.5 59.816：00 (35.9)* 59.5 58.9 44.120：00 (28.8) 32.3 33.5 26.024：00 (25.4) 29.6 30.6 23.3
表3时间 外部空气温度 实施例1 实施例2 比较实施例
(℃) (℃) (℃) (℃) 4：00 (-2.4) 17.3 13.2 -4.7 8：00 (0.9) 45.6 43.8 5.312：00 (9.1)* 95.8 92.8 32.016：00 (6.8)* 56.1 60.5 11.720：00 (-0.2) 18.9 17.3 -4.524：00 (-2.6) 18.5 14.4 -6.2