CN102683465B - 被动式光伏组件冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种被动式光伏组件冷却装置，包括蒸发冷却装置，蒸发冷却装置由纤维层或纤维管和多孔材料薄板组成，蒸发冷却装置紧贴在光伏组件的背面，蒸发冷却装置和光伏组件两端分别固定在水箱和支架上，并与地面呈一倾角，纤维层或纤维管的末端位于水箱内，水箱中安装有用于控制蒸发冷却装置启停的活动挡板，活动挡板通过联轴器与电机相连，联轴器一端连接有摆杆，且摆杆另一端与固定在水箱侧面上、下位置上的限位开关相对应，电机与光敏电阻和控制电路连接，且光敏电阻安放在水箱上方。该装置根据植物叶片的蒸腾原理，利用毛细现象、小孔扩散原理，通过水的蒸发吸热来降低与冷却装置紧密贴合的光伏电池板的温度，从而提高太阳能光伏电池的发电效率。

Description

被动式光伏组件冷却装置

技术领域

本发明涉及一种光伏组件冷却装置，尤其是一种无需消耗动力、冷却能力自我调节、被动型光伏组件散热装置。

背景技术

光伏电池板所吸收的太阳辐射中只有8%-29%的能量通过光生伏特效应转化为电能，一部分能量被电池板反射回大气，其余能量转化为电池板的热能。这部分热能可以使得太阳能光伏电池板温度升高到70℃，甚至更高。研究表明，电池板温度升高，会导致其转化效率降低，甚至影响电池板的寿命。目前光伏发电系统中普通应用硅基太阳能光伏电池。一般当电池的工作温度每上升1℃，硅基太阳能电池的功率将降低0.5%左右。因此在实际应用中，太阳能光伏组件的有效散热是非常必要的。

按照冷却介质是否需要外界动力驱动，太阳能电池冷却可分为被动型和主动型。主动型冷却方式虽然能够带来良好的冷却效果，但是需要外界动力驱动。外界动力主要来源于电，光伏发电系统所发电力部分用于主动型冷却装置。如果主动型冷却装置设计不当，用于驱动泵或风机的功率过大，光伏发电系统输出的净输出功率反而减少。被动型冷却方式由于不消耗电力，在太阳能电池冷却中有一定优势。现有的被动式散热装置利用电池板背部流道中空气受热后自然对流带走部分热量，这种方式对降低电池板温度可以起到一定效果，但缺点是散热效果不佳；也有在电池板背部加装肋片来提高散热性能，这种散热装置虽然能取得一定的散热效果，但装置比较庞大和笨重，并且造价较高，限制了其实际应用。所以设计一种高效的被动型太阳能冷却装置是十分必要的。

目前公开的相关专利主要有：

1）中国专利号00820123998，光伏电池散热及热电联供系统。此发明内容所要解决的是光伏组件的散热问题，蒸发吸收光伏电池的热量，散热形式是被动式散热系统。但是系统较为复杂，需要配备换热设备。

2）中国专利号200920126098，一种采用热管冷却的平板型太阳能光伏电-热转换装置；此发明内容所要解决的是光伏组件的散热问题。系统采用被动式散热方式。虽然散热系统能取得较好的散热效果，但是该系统装置比较复杂、造价较高。

发明内容

本发明是要提供一种被动式光伏组件冷却装置，该装置根据植物叶片的蒸腾原理，利用毛细现象、小孔扩散原理，通过水的蒸发吸热来降低与冷却装置紧密贴合的光伏电池板的温度，从而提高太阳能光伏电池的发电效率。

本发明的技术方案为：一种被动式光伏组件冷却装置，包括光伏组件，水箱，蒸发冷却装置，其特点是：蒸发冷却装置由两部分组成，第一部分为纤维层或纤维管，第二部分为多孔材料薄板，蒸发冷却装置紧贴在光伏组件的背面，蒸发冷却装置和光伏组件两端分别固定在水箱和支架上，并与地面呈一倾角，使落到光伏组件表面的雨水顺其表面流至水箱中，蒸发冷却装置的纤维层或纤维管的末端位于水箱内，水箱中安装有用于控制蒸发冷却装置启停的活动挡板，活动挡板通过联轴器与电机相连，联轴器一端连接有摆杆，且摆杆另一端与固定在水箱侧面上、下位置上的限位开关相对应，用于触发限位开关，电机与光敏电阻和控制电路连接，且光敏电阻安放在水箱上方。

水箱上分别装有雨水过滤栅格板、过滤层、排污管、补水管，其中，栅格板放置在光伏组件的低位处下面，栅格板下面设有过滤层，水箱上端侧面设有补水管，水箱下端侧面设有排污管。

纤维层由吸水能力强的纤维材料制成，纤维层的厚度为0.5 – 5 mm，纤维管直径为0.5 – 5 mm, 且纤维管嵌在多孔材料薄板3中，纤维管的长度方向与电池板的长度方向一致。

多孔材料薄板由多孔陶瓷制成，其厚度为1 – 10 mm,孔洞的平均孔径为5 - 50μm。

本发明的有益效果是：

1、本发明以蒸腾作用产生的拉力为驱动力，将蒸发工质（水）从冷却装置的底部运输到顶部，无需使用泵或风机等消耗电能的设备。

2、本发明利用水的蒸发吸收太阳能电池的热量，降低太阳能电池温度，提高其光电转换效率，输出更多电力。

3、本发明使用光敏电阻自动控制蒸发冷却功能的启动和停止，白天太阳光较强时启动蒸发冷却功能，阴雨天光照不足或夜晚时关闭蒸发冷却功能。

2、本发明在水箱中采用了雨水收集装置，充分利用自然界降雨，减少从城市管网的补水量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中沿A-A的剖视图；

图3是本发明的蒸发启动状态图；

图4是本发明的蒸发停止状态图；

图5是控制电路图；

图6是太阳能电池温度对比图；

图7是太阳能电池功率对比图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，2所示，本发明的被动式光伏组件冷却装置，包括光伏组件1，水箱6，蒸发冷却装置，雨水过滤栅格板10、过滤层8、排污管5、补水管9、联轴器12、电机13、摆杆14、限位开关15，光敏电阻16等。

蒸发冷却装置由两部分组成，第一部分为纤维层或纤维管2，第二部分为多孔材料薄板3。蒸发冷却装置紧贴在光伏组件1的背面，蒸发冷却装置和光伏组件1固定在水箱6和支架4上。蒸发冷却装置的纤维层或纤维管2末端位于水箱6内，水箱6中安装有用于控制蒸发装置启停的活动挡板7，活动挡板7通过联轴器12与电机13相连，联轴器12一端连接有摆杆14，且摆杆14另一端与固定在水箱6侧面上、下位置上的限位开关15相对应，用于触发限位开关15，电机13与光敏电阻16和控制电路连接，且光敏电阻安放在水箱上方。

水箱6上分别装有雨水过滤栅格板10、过滤层8、排污管5、补水管9，其中，栅格板10放置在光伏组件1的低位处下面，栅格板10下面设有过滤层8，水箱6上端口侧面设有补水管9，水箱6下端侧面设有排污管5。

光伏组件1在安装时与地面呈一定的倾角，降落到光伏组件1表面的雨水顺表面流下，栅格板10和过滤层8将雨水携带的树叶和泥沙等杂质去除，过滤后的雨水进入水箱6，实现雨水收集功能。安装有补水管9和排污管5。当水箱6的水位降低到设定的最低水位时，城市管网的水通过补水管9对水箱进行补水。当水箱6底部沉积的微细泥沙等杂质达到一定程度时，可通过排污管5将杂质冲出。最后，水箱6中还安装有活动挡板7来控制蒸发装置的启停。活动挡板7通过联轴器12与电机13相连，活动挡板7的旋转由电机13驱动。摆杆14的一端与联轴器12相连，摆杆14和活动挡板7的旋转同步；摆杆14的另一端被用来触发限位开关15。电机13的运转由光敏电阻16和控制电路确定，光敏电阻可安放在水箱上方。

蒸发冷却装置的纤维层利用毛细现象，由吸水能力较强的纤维组成，纤维可采用涤纶和尼龙等材料制成。纤维的功能类似于植物的叶脉，完成水的输运功能。纤维层的厚度为0.5 – 5 mm。所采用多孔材料薄板3厚度为1 – 10 mm,材料可以为多孔陶瓷3，孔洞的平均孔径为5 - 50μm。多孔陶瓷利用小孔扩散原理，功能类似于植物叶片的气孔，实现蒸发散热的功能。也可不使用纤维层，而采用由纤维编成的管。纤维管2直径为0.5 – 5 mm, 纤维管2嵌在多孔材料薄板3中，纤维管2的长度方向与电池板的长度方向一致。总体而言，本发明的蒸发冷却装置基于植物蒸腾原理，利用蒸发吸热带走热量，实现降低温度的效果。如图1所示，将蒸发冷却装置布置在太阳能电池组件1的背面来实现对太阳能电池板的冷却功能。本装置可自发完成吸水、输运和散热的全过程，无需加装动力装置。

当太阳辐射强度高于一定数值（例如，100 W/m²）时，如图2、图3、图5所示，开关NK1和NK2闭合，开关PK1和PK2断开，电机13正转，带动活动挡板7顺时针转动，当摆杆14和SQ1限位开关15接触时电机13停止运行，活动挡板7维持在垂直位置，在活动挡板7的带动下纤维层或纤维管2的末端浸入水中，实现毛细吸水和蒸发散热的功能。当夜晚或太阳辐射强度低于一定数值（例如，100 W/m²）时，如图2、图4、图5，开关NK1和NK2断开，开关PK1和开关PK2闭合，电机13反转，带动活动挡板7逆时针转动，当摆杆14和SQ2限位开关15接触时电机13停止运行，活动挡板7维持在水平位置，在活动挡板7的带动下纤维层或纤维管2的末端离开水面，实现阻断蒸发的功能，以减少不必要的蒸发耗水。

本发明可实现如下功能：

（1）提供蒸发冷却工质（水）； 

（2）雨水收集；

（3）补水、过滤、排污等功能；

（4）蒸发装置的自动启停功能。

具有强烈吸水性的纤维在功能上与植物叶片中叶脉的功能类似，具有微米级孔洞的多孔材料在功能上与植物叶片中气孔类似。纤维内部有丰富的毛细管，通过纤维将水从冷却装置的底部运输到顶部；多孔材料内部有微米级的孔洞，且这些孔洞是互通的，水分在多孔材料与空气的接触面上蒸发带走热量。本发明利用了植物叶片蒸腾散热的原理，与单纯的蒸发冷却方法不同。本发明不仅通过水在多孔介质与空气接触面上的蒸发达到吸热目的，并且利用蒸腾作用产生的驱动力将水从散热装置的底部运输到顶部。驱动水从底部运输到顶部的主要动力来源是蒸腾作用，而不是纤维的毛细吸水作用，纤维相当于运输水分的通道。将根据上述方法制作的装置布置在太阳能电池板背面，通过水的蒸发吸热实现对光伏电池的冷却。冷却装置中配备水箱，纤维底部浸入水中。根据太阳辐射强度，可以自动将纤维没入水中或者将纤维提升到水面以上，以避免阴天或夜晚不必要的水分蒸发。水箱用来收集降落在太阳能电池板的雨水，冷却装置蒸发用水不足部分由城市管网提供。

本装置在室外进行了测试，测试条件为环境温度32℃，环境风速0.5米/秒。其中板A为带有冷却装置的太阳能光伏组件，板B为普通的太阳能光伏组件。太阳能电池温度对比情况如图6所示，板A的温度比板B的温度大约低10℃。太阳能电池功率对比情况如图7所示，板A输出功率比板B的输出功率高出0.8W，大约提高6%。测试结果充分显示了本装置具有优良的冷却效果，可有效提高太阳能电池的发电效率。多次测试结果一致，表明本装置能稳定可靠工作。

本发明推广应用的可行性及前景：

根据前人研究, 一般当太阳能光伏电池工作温度每上升1℃，硅基太阳能电池的功率将降低0.5%左右。太阳能电池板温度降低10℃左右时，可以使电池板输出功率提高约6.3%。对本装置的多次测量结果表明，对于一个长度为60 cm的光伏电池板，通过蒸发冷却装置可以使光伏电池板的温度降低10~15℃左右,光伏电池的输出功率提高约5~8%。针对实验中使用的单晶硅太阳能电池板（额定功率25W），本发明提出的冷却装置可使其全年的发电量增加约3~4KWh。

若将本装置应用于装机容量为10MW的光伏电站，以温度降低10℃计算，该电站全年可增加发电量约120万KWh，增加经济效益100多万元。对于大型光伏电站来说，提高光伏电池的发电效率，具有巨大的经济意义。根据光伏电池板的背板结构，配备相应尺寸的蒸发冷却装置，系统改造也比较便捷。对于与建筑屋顶结合的光伏组件，只需保留空气流道，亦可采用本发明提出的装置解决散热问题。

Claims (4)

1.一种被动式光伏组件冷却装置，包括光伏组件（1），水箱（6），蒸发冷却装置，其特征在于：所述蒸发冷却装置由两部分组成，第一部分为纤维层或纤维管（2），第二部分为多孔材料薄板（3），蒸发冷却装置紧贴在光伏组件（1）的背面，蒸发冷却装置和光伏组件（1）两端分别固定在水箱（6）和支架（4）上，并与地面呈一倾角，使落到光伏组件表面的雨水顺其表面流至水箱（6）中，蒸发冷却装置的纤维层或纤维管（2）的末端位于水箱（6）内，水箱（6）中安装有用于控制蒸发冷却装置启停的活动挡板（7），活动挡板（7）通过联轴器（12）与电机（13）相连，联轴器（12）一端连接有摆杆（14），且摆杆（14）另一端与固定在水箱（6）侧面上、下位置上的限位开关（15）相对应，用于触发限位开关（15），电机（13）与光敏电阻（16）和控制电路连接，且光敏电阻（16）安放在水箱（6）上方。

2.根据权利要求1所述的被动式光伏组件冷却装置，其特征在于：所述水箱（6）上分别装有雨水过滤栅格板（10）、过滤层（8）、排污管（5）、补水管（9），其中，栅格板（10）放置在光伏组件（1）的低位处下面，栅格板（10）下面设有过滤层（8），水箱（6）上端侧面设有补水管（9），水箱（6）下端侧面设有排污管（5）。

3.根据权利要求1所述的被动式光伏组件冷却装置，其特征在于：所述纤维层（2）由吸水能力强的纤维材料制成，纤维层的厚度为0.5 – 5 mm；所述纤维管（2）直径为0.5 – 5 mm, 且纤维管（2）嵌在多孔材料薄板（3）中，纤维管（2）的长度方向与电池板的长度方向一致。

4.根据权利要求1所述的被动式光伏组件冷却装置，其特征在于：所述多孔材料薄板（3）由多孔陶瓷制成，其厚度为1 – 10 mm,孔洞的平均孔径为5 - 50μm。