[发明专利]基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统及方法

权利要求书

1.一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述系统包括气凝胶隔热层(1)、光伏电池(2)、相变材料控温层(3)、隔热转轴(4)、热电元件、热沉(7)和电动机(8)；其中，热电元件由陶瓷层(5)和位于陶瓷层(5)之间的热电引脚(6)组成，气凝胶隔热层(1)覆盖且固定在光伏电池(2)的受光面；相变材料控温层(3)固定在光伏电池(2)和热电元件的热端之间，热沉(7)覆盖且固定在热电元件的冷端表面，隔热转轴(4)的一端穿插并且固定在相变材料控温层(3)的内部，另一端和电动机(8)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述气凝胶隔热层(1)表面积和光伏电池(2)的受光面表面积相同，采用隔热性能好，对太阳光谱透过率高的材料，起到隔绝光伏电池表面向外界散热的作用。

3.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述光伏电池(2)为GaInP/GaInAs/Ge三结砷化镓电池。

4.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述相变材料控温层(3)的相变材料为石蜡与泡沫铝或石蜡与泡沫铜复合相变材料，相变材料容器材料为铝或铜；相变材料控温层(3)用来吸收光伏电池(2)产生的热量，同时控制光伏电池(2)和热电元件热端的工作温度，起到储热和控温的作用。

5.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述陶瓷层(5)材料为氧化铝，所述热电引脚(6)材料为碲化铋。

6.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述隔热转轴(4)用于驱动耦合发电系统实现翻转，有光照周期内，气凝胶隔热层(1)和光伏电池(2)面向宇宙天空，无光照时，电动机(8)驱动隔热转轴，带动耦合发电系统翻转，热沉(7)面向宇宙天空。

7.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：所述热沉(7)的材料为铝或者铜，热沉(7)的扩展表面以翅片的形式存在，翅片表面涂有高发射率涂层，实现高效散热，提高热电转换效率，确保相变材料充分再生。

8.根据权利要求1所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，其特征在于：除了热沉(7)的散热面以外，其余外表面全部采用绝热处理，来减小散热损失，提高系统能量利用率。

9.权利要求1至8任一项所述的一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统的工作方法，其特征在于：在白天光照期，覆盖有气凝胶隔热层(1)的光伏电池(2)面向阳光，太阳光投过气凝胶隔热层(1)入射到光伏电池(2)的上表面，一部分入射能通过光伏电池转换成电能对外输出，另一部分转换成热能被相变材料控温层(3)吸收，气凝胶隔热层(1)起到阻止光伏电池向外界散热的作用；相变材料控温层(3)内的相变材料吸收光伏电池(2)中产生的热量，发生固-液相变，起到储热和控温的作用，来降低光伏电池(2)表面温度，提升其发电效率；光伏电池(2)产生的热量大部分储存在相变材料控温层(3)内，小部分热量经由相变材料控温层(3)传递至热电元件，驱动热电元件进行温差发电，对外输出电能；从热电元件出来的剩余热量传递给热沉(7)；热沉(7)通过对流和辐射散热将这一部分余热散失到环境中，控制热电元件的冷端温度，维持热电转换的持续进行；

在夜晚无光照期，电动机(8)驱动隔热转轴(4)带动耦合发电系统翻转，使热沉(7)正对天空，此时，光伏电池(2)停止发电，相变材料控温层(3)发生液-固相变开始放热，实现相变材料再生；气凝胶隔热层(1)阻止光伏电池(2)表面向环境的散热，确保相变材料控温层(3)再生释放的绝大部分热量通过热电元件，提高热量利用率；进入热电元件的热量一部分通过温差发电转换成电能对外输出，另一部分传递给热沉(7)；热沉(7)利用天空的低温条件，通过辐射制冷的方式进行散热，降低热电元件的冷端温度，提升热电转换效率；耦合发电系统除了热沉(7)的散热面外，其余外表面全部采用绝热处理，降低热量损失，提高能源利用率。