CN105390563B - 光伏电池换热冷却器 - Google Patents

Abstract

光伏电池换热冷却器，包括外壳和换热工质，外壳的一面为透明入射面，或外壳上开设安装孔，安装孔上安装透明入射板；外壳内腔注入换热工质，光电元件浸泡在换热工质中，外壳开设出线孔和充装孔。本发明还提供光伏聚光发电系统，包括聚光器和光电元件，光电元件设置在内腔内，光电元件的输出线路从出线孔穿出，聚光器设置在入射面的前方，聚光器朝向光线，将光线汇聚后照射到光电元件上进行光电转换。本发明解决了光伏发电过程中光电元件工作发热导致工作温度升高从而大幅降低光电转换效率的问题，通过本发明能够对光电元件进行充分散热，降低并均匀其工作环境温度，提高光电转换效率。并且本发明结构密闭，电池不会受到风沙灰尘等影响，维护简单。

Description

光伏电池换热冷却器

技术领域

本发明涉及到太阳能聚光发电集热技术领域，尤其是光伏电池冷却及光伏聚光发电系统技术优化领域。

背景技术

聚光光伏发电系统中，主要通过增加电池单位面积的辐射能流密度的方式，来提高聚光光伏发电系统的发电效率。但是，电池单位面积辐射能流密度的增加，会导致电池的温度急剧升高。即使不对电池单位面积的辐射能流密度进行提增，电池在接受聚光的同时，温度也会升高。温度的升高会使电池的光电转换效率降低，在短期内会影响电池的发电效率及输出功率，长期会引起电池迅速老化并缩短电池的使用寿命。因此需要对电池的温度进行控制和散热。

针对上述问题，所属领域的技术人员采用冷却装置对电池进行散热。如，在一种技术方案中，在电池的外部直接设置风机，通过风机对工作中的电池进行风冷强制散热。但是上述技术方案中，风机的冷风吹出方向受到一定的范围限制，且风冷的效率较低，耗能较大。这就导致该技术方案无法对于小功率电池进行有效的散热，更加无法满足大功率电池的散热需求。同时，风机的可靠性不高，由于受到风机寿命的影响，风机在运行一定的时间后，需要定期进行维修或更换。

由此可知，现有技术中光伏电池的冷却装置存在以下缺陷：散热效率低，且使用寿命短，后期维护工作较多。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供的采用如下技术方案：

光伏电池换热冷却器，包括外壳和换热工质，所述外壳的一面为透明入射面，所述入射面朝向光线，或所述外壳上开设安装孔，所述安装孔上安装透明入射板；所述外壳内腔注入所述换热工质，光电元件将放置在所述外壳内腔的换热工质中，所述外壳开设出线孔和充装孔。透光式壳体对光线射入影响小，可以利用多种换热方式实现系统散热，为光伏电池提供温度适宜的工作环境。且本发明的结构属于密闭状态，光伏电池不会受到风沙灰尘等影响，可达到免维护的目的。外壳的形状没有任何限制，可根据具体使用的需要进行变化。

在一种优选的实施方式中，还包括导热管口，所述导热管口开设在所述外壳上。导热管口用于将外壳内部的换热工质导出，以便对换热后的高温换热工质进行循环冷却。

在一种优选的实施方式中，还包括呼吸孔，所述呼吸孔开设在所述外壳上。在注入换热工质时，同时打开呼吸孔，外壳内腔原有的空气能够通过呼吸孔排出，方便进行充注。特别在需要进行补充注入换热工质时，不会出现无法注入的现象。

在一种优选的实施方式中，还包括反射膜，所述反射膜设置在所述外壳上，且位于所述入射面的相对面。光线进入外壳内腔后，部分光透过设置在外壳内腔中的光伏电池，射到光伏电池背后的反射膜上，会发生二次反射，再次射到光伏电池上再进行光电转换。通过二次反射增加光的利用率。

优选地，所述反射膜的反射面为凹面。

在一种优选的实施方式中，还包括换热管，所述换热管位于所述内腔中，且所述换热管的两端分别与所述导热管口连接，所述换热管内注入换热工质。换热工质可以为相变热管工质、无相变热管工质或热超导工质，以使换热管满足相变热管换热方式、无相变热管换热方式或热超导循环换热方式。

在一种优选的实施方式中，还包括冷却装置，所述冷却装置连接所述导热管口。

在一种优选的实施方式中，还包括冷却装置，所述冷却装置设置在所述外壳的外侧。

在一种优选的实施方式中，所述换热管的管壁上开设小孔，使壳体与换热管内的换热工质相通。

在一种优选的实施方式中，还包括连接孔，所述连接孔与所述透明入射板之间采用柔性密封。

本发明还提供光伏聚光发电系统，使用上述的光伏电池换热冷却器，包括聚光器和光电元件，所述光电元件设置在所述内腔内，所述光电元件的输出线路从所述出线孔穿出，所述聚光器设置在所述入射面的前方，所述聚光器朝向光线，将光线汇聚后照射到所述光电元件上进行光电转换。

本发明解决了聚光光伏发电中光电元件在工作过程中发热导致工作环境温度升高大幅度降低光电转换效率的问题，通过本发明能够充分对光电元件进行散热，降低并均匀光电元件工作环境的温度，提高光电转换效率。并且本发明结构属于密闭状态，电池不会受到风沙灰尘等影响，可达到免维护的目的。

本发明的透光式壳体对光线射入影响小，可以利用多种换热方式实现系统散热，为光电元件提供温度适宜的工作环境。可适用于多种形式的聚光光伏发电系统。通过该发明收集的光电元件散热量可根据需求进一步实现热电联供。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种实施例的结构示意图；

图2是具备反射膜的实施例的结构示意图；

图3是具备外部冷却装置的实施例的结构示意图；

图4是具备外部冷却装置的实施例的结构示意图；

图5是具备外部冷却装置的实施例的结构示意图；

图6是采用相变热管冷却的实施例的结构示意图；

图7是采用相变热管冷却的实施例的结构示意图；

图8是具备外部冷却装置的实施例的结构示意图；

图9是石英管内部的剖视图；

图10是石英管与密封端盖的连接示意图；

图11是图8连接外部冷却装置的结构示意图；

图12是图11中A-A方向的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本发明一种实施方式的光伏电池换热冷却器，包括方形壳体1，在方形壳体1的前侧面上开设安装孔11。使用硅胶3，或其他柔性密封材料，将安装孔11的边缘与透明入射板2的周边连接起来。在方形壳体1的一侧开设出线孔7和充装孔6。方形壳体1的内部用于放置光电元件和充装导热工质，光电元件的电线可通过出线孔7穿出。

通过充装孔6向壳体1内腔注满换热工质4，换热工质4充满壳体1内腔，光电元件浸在换热工质中。换热工质可采用透明绝缘的具备一定换热能力的气体或液体。为了保证换热工质的方便注入或排出，在壳体1的顶部还开设呼吸孔5。在注入换热工质时，同时打开呼吸孔5，壳体1内部原有的空气能够通过呼吸孔5排出，方便进行充注。特别在需要进行换热工质补充注入时，不会出现无法注入的现象。

为了提高光利用率，在一种实施方式中，如图2，方形壳体1的后侧面上粘结一层反射膜8。光线进入壳体1内腔后，部分光透过设置在壳体1内腔中的光伏电池，射到光伏电池背后的反射膜8上，即发生二次反射并再次射到光伏电池上进行第二次光电转换。为了使反射膜8反射的光线能够射向光电元件，可将右侧面设置为向壳体外部凸出的弧面，在弧面上粘结一层反射膜8。反射膜8的反射面成凹面，凹面的中心线与光电元件的中心线对齐，使反射面将光线折射向光电元件中间。图中的箭头表示阳光的照射方向。

换热工质首先吸收光电元件在工作过程中产生的热量，温度升高后的换热工质需要进行冷却后再循环。为了对升温后的换热工质进行冷却，在一种实施方式中，还包括导热管口9和外接冷却装置11，如图3。在壳体1的两侧面分别开设导热管口9，导热管口9通过管路10连接至外接冷却装置11。外接冷却装置11可以为液冷和风冷。换热工质的循环可通过循环泵、相变热管循环、非相变热管循环或热超导循环等方式实现，通过导热管口9流到外接冷却装置11中，通过外接冷却装置11冷却后，回流到壳体1内腔中，继续为光电元件进行散热。此实施方式，通过一次换热方式实现，光伏电池浸泡在换热工质中，换热工质在其回路中循环，将光伏电池周围的热量导出到冷却装置11进行冷却，冷却后的换热工质再次进入冷却器外壳，形成散热冷却循环。图3中的箭头为换热工质的流动方向。如图4，也可以采用强制对流空气直接冷却光电元件的方式，在壳体1的两侧面分别设置引风风机12，将环境中的冷风送入壳体1中，加强其内空气对流换热，图中的箭头表示风的流动风向，冷风从下方的引风风机12吹入壳体1，再从上方的引风风机12吹出。在上述的技术方案中采用空气对流冷却、浸液冷却或其他冷却结构来冷却升温后的换热工质，最大限度实现对光电元件工作环境的降温和均温，从而达到提高元件光电转化效率的目的。

在一种实施方式中，如图5，还包括换热管13，换热管13穿过壳体1的两侧面的导热管口9，且导热管口9与换热管13之间采用柔性密封连接。换热管13的一部分位于壳体1内腔中，换热管13的两端分别连接至外接冷却装置11。换热管13的内部充入二次换热工质。将二次换热工质注入壳体1内腔，与壳体1内腔升温的一次换热工质进行热交换。此实施方式，通过二次换热方式实现，光伏电池浸泡在一次换热工质4中，电池接收聚光，产生热量，温度上升，工质4吸收热量，此为第一次换热，换热管13中的二次换热工质通过循环泵、相变循环、无相变循环或热超导循环等方式与工质4进行热交换，此为第二次换热，换热管13中的二次换热工质在冷却装置11中进行冷却，冷却降温后的二次换热工质循环入壳体1内腔继续进行热交换。

在一种实施方式中，采用相变热管技术对升温后的换热工质进行冷却。如图6，壳体1一侧的导热管口9通过壳体外部的管路26连接至壳体1另一侧的导热管口9，形成热管结构，热管内充装相变工质，如氟利昂，甲醇，水，导热姆等。管路26为毛细多孔材料的吸液芯。热管结构中，壳体1为蒸发端，即光伏电池工作发热升温区域，管路26为冷凝端，即外部散热冷却区域。当蒸发端受热时，热管结构内部的相变工质由液态迅速蒸发为气态，蒸气在压力差下流向冷凝端释放热量后冷凝为液态，沿多孔材料依靠毛细力的作用流回蒸发端完成换热循环。相变热管循环热传导效率较高，传导热流密度较大，结构较简单。

另一种相变热管的实施方式，如图7，采用二次换热方式，换热管26穿过壳体1内腔，作为二次换热部件。换热管26的两端在壳体1外部连接起来，形成一个循环回路。换热管26的一部分位于壳体1内腔中，此部分为换热管26的受热段。换热管26位于壳体1外部的部分为散热段。光电元件在工作过程中发热，热量被壳体1内腔中的换热工质吸收，进而将热量传递到换热管26的受热段。受热段内的换热工质发生相变，液体迅速汽化，蒸气进入散热段冷却。散热段的环境温度低，蒸气冷凝释放出热量，变成液体，液体再沿换热管26回到受热段完成换热循环。相变热管技术充分利用了换热工质相变过程的热传导特性，透过管路内毛细结构将发热物体的热量迅速传递到热源外，换热效率高、换热热流密度大。

本发明的一种实施方式，可以采用无相变热超导方式进行换热。本实施例的结构与图6相同，不同点为换热管26内注入热超导换热工质。依据实际使用条件(压力或温度等)选择不同类型的热超导换热工质。当热超导换热工质传热时，通过分子极限对流实现热量高效传递，热量从换热管26的热端高速传递到冷端，再通过冷却设备进行冷却。

为了实现热电联供，在上述使用水冷冷却装置的实施例中，将冷却装置11的水管连接到供水的水管路141，如图8。水管路中的水流入壳体1内腔中，对换热工质进行冷却，冷却后的水升温，再回流到用水的水管路142，作为热水供应。

本发明中，具有光伏聚光发电系统的一种实施方式，适用于槽式镜。如图9，采用一根石英管15作为壳体，也可以采用其他材质的透明管，这种透明管需要满足耐高温、高透光的要求。在石英管15内插入光伏电池16和金属管17。光伏电池16的长度短于石英管15的长度，金属管17的长度长于石英管15的长度，金属管17在管壁对称均布错开的小孔(图未示)。如图10-12，在石英管15的两端安放密封端盖19，金属管17的两端从密封端盖19中的通孔穿出，在其中一个密封端盖19上开设出线孔23和充装孔28。每个密封端盖19沿着其中心对称地开设两个连接孔27。两个密封端盖19分别通过两个拉紧杆20将石英管15的两端密封起来。每个拉紧杆20的两端分别穿过两个密封端盖19的一个连接孔，拉紧杆20的两端旋入螺母21，螺母21调节两个密封端盖19之间的距离，使密封端盖19将石英管15密封。光伏电池16的输出线路通过出线孔23穿出。通过充装孔28对石英管15和金属管17内部注入换热工质，该换热工质可选择一切有利于换热的各态物质。金属管17的两端分别通过管路24连接起来，形成一个闭合的循环回路。通过金属管17管壁上的小孔，金属管17与石英管15内部换热工质时连通。管路24上设置有泵26和呼吸装置22。这样，金属管17与石英管15内的换热工质就流通起来，使热量能够迅速地传递出来。为了保证金属管17内的换热工质能够及时将热量传递出去，管路24可以由多个子管路并联后，再与金属管17连接。同时还设置散热翅片25，散热翅片25的中间开设通孔，管路24穿过通孔，使管路24的外部架设多个散热翅片25，能将管路内换热工质的热量及时散发出去。也可将散热翅片25浸泡于低温换热工质中，使用浸液冷却方式将管路24内流动的工质冷却后再循环回系统中。在本实施例中，换热部分可采用相变热管、非相变热管、动力循环或热超导循环等方式进行换热及冷却。呼吸装置22在一般情况下关闭，保持密闭性，在一定程度上减少工质的蒸发损耗。而在必要时，能通气调节平衡石英管内外压力，起到安全作用。槽式聚光镜将光线汇聚成线光斑射入石英管内，光电元件进行光电转换，同时石英管背光侧贴有反射膜，可将漏光进行二次反射再次聚到光电元件上，提高光电转换率。

本发明的工作原理如下：

聚光器聚光后，光束穿过石英管照射在光伏电池上，生成电和热。石英管内的导热工质在该过程中受热进行换热，然后导热工质将热量传导给金属管中流动的导热工质，金属管内的导热工质将热量由金属管的受热段传至外部的冷凝段后，对其进行风冷或液冷。冷却后的导热工质又回流到其处于石英管内的受热段。这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从石英管内传到外部散掉。整个装置内的这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来，从而使得石英管内部温度始终保持在光伏电池适宜温度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.光伏电池换热冷却器，其特征在于：包括外壳和换热工质，所述外壳的一面为透明入射面，所述入射面朝向光线，或所述外壳上开设安装孔，所述安装孔上安装透明入射板；所述外壳内腔注入所述换热工质，光电元件将放置在所述外壳内腔的换热工质中，所述外壳开设出线孔和充装孔；包括导热管口，所述导热管口开设在所述外壳上；所述导热管口连接冷却装置；所述外壳上开设呼吸孔，反射膜设置于外壳上，且位于所述入射面的相对面；还包括换热管，所述换热管位于所述内腔中，且所述换热管的两端分别与所述导热管口连接，所述换热管内注入换热工质；所述换热管的管壁上开设小孔，使壳体与换热管内的换热工质相通。

2.根据权利要求1所述的光伏电池换热冷却器，其特征在于：还包括冷却装置，所述冷却装置设置在所述外壳的外侧。

3.根据权利要求2所述的光伏电池换热冷却器，其特征在于：包括连接孔，所述连接孔与所述透明入射板之间采用柔性密封。

4.光伏聚光发电系统，使用权利要求1-3任一所述的光伏电池换热冷却器，其特征在于：包括聚光器、光电元件，所述光电元件设置在所述内腔内，所述光电元件的输出线路从所述出线孔穿出，所述聚光器设置在入射面的前方，聚光器朝向光线，将光线汇聚后照射到光电元件上进行光电转换。