CN107919406B - 一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能利用技术领域，尤其涉及一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列。为了减少非均匀辐照下密集电池阵列的失配损失，提高密集电池阵列的功率输出，本发明提出一种具有旋转对称结构的密集聚光光伏电池阵列，将所述阵列划分成若干个旋转对称的子模块，每个子模块内部电池采用并联、串联、全连接或三种连接的混合连接，最后将所划分若干子模块串联连接。这种具有旋转对称特征的连接设计，使得密集电池阵列模块在高斯分布或圆台形分布特征的真实光照条件下，可明显降低大型聚光器的密集电池阵列模块中由于电流电压失配所带来的功率损失，进而提高电池阵列的功率输出，提高密集聚光光伏电池阵列发电系统的效率、经济性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，尤其涉及一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列。
背景技术
当前，太阳能光伏发电已成为第三大可再生能源利用方式。太阳能光伏发电系统利用半导体材料的光伏效应进行发电，具有效率较高、无运动部件、系统可模块化的优势。太阳能光伏发电系统通常为平板光伏，采用薄膜电池或硅电池，发电效率约14-20％。而采用单轴或多轴跟踪式聚光光伏的发电系统通常使用III-V族电池或叠层电池，发电效率可达25-35％，并可大幅减少电厂占用的土地面积。因此，聚光光伏发电系统在近年得到迅速发展，其中，利用大型聚光器收集太阳辐照，并利用密集电池阵列模块发电的密集阵列聚光光伏(DA-CPV)系统具有较高的效率和输出功率，并易于同热利用系统复合，被视为重要的发展方向之一。在DA-CPV系统中，太阳辐射经聚光器反射到光伏阵列上的分布并不均匀。光照分布近似于高斯分布，这就使得每个电池所接收的光照强度是不同的。由于光伏电池的电压与光照成对数关系，而电流与光照成线性关系，差异严重的光照分布使得采用常规连接设计的电池间会引起很大的失配损失，造成输出效率的减小。因此近年来研究人员提出有一些减少失配损失的方法，例如采用二次匀光器来均匀光照或者使用特殊形状设计的异形电池。但采用二次匀光设备具有较大的光学损失，而采用异形电池则需要根据具体聚光设备进行特殊设计和制造，导致DA-CPV系统成本升高。因此如何减少非均匀辐照下密集电池阵列的失配损失是DA-CPV系统的关键问题之一。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，包括：玻璃盖板1、光伏电池阵列2和热沉模块3；将所述光伏电池阵列2按照电池几何形态和太阳辐照分布特征，以阵列中心为原点划分为若干个具有旋转对称特征的子模块，通过电池间导线22将每个子模块中的聚光电池21进行内部连接，再将各个子模块串联，使密集电池阵列中的电流方向总体以所选原点为中心旋转，最终形成方形、圆形或正多边形的电池阵列，将所述光伏电池阵列2布置在热沉模块3上，利用循环冷却工质将投射在热沉模块3上的太阳能转化为热量带出模块，以保证模块的稳定运行，通过粘合剂将玻璃盖板1与密集聚光光伏电池阵列2粘合在一起，以保护电池。
所述旋转对称包括四角旋转对称和对角旋转对称。
所述电池几何形态包括方形、扇形。
所述太阳辐照分布为高斯分布或圆台分布。
所述各子模块的内部连接包括并联或串联或全连接，或包含以上三种连接的混合连接。
所述聚光电池21选用砷化镓电池、背接触硅电池或叠层Ⅲ-Ⅴ族电池中的任一种。
所述热沉模块3由热沉盖板33、入口歧管34、出口歧管35、喷嘴36和针肋37依次连接组成，其中，针肋37由针肋底面371和针肋肋壁372构成；在所述热沉模块3的入口侧和出口侧分别设置热沉入口31、热沉出口32，所述热沉模块3的歧管管道采用国际象棋黑白格式棋盘布局，且歧管流道的方向和喷嘴喷射方向相垂直，使每个出口喷嘴被四个入口喷嘴包围，以均匀分配换热流体至整个吸热器。
所述热沉模块3的换热流体首先从热沉入口31流入歧管流道，均匀分流进入位于歧管流道底部的喷嘴36，然后冲击在针肋底面371的加热面上，当换热流体在针肋通道中流动时，通过针肋底面371和针肋肋壁372吸收热量，换热流体从出口喷嘴流出针肋37，进入出口歧管35通道，最后从出热沉出口32流出。
所述密集聚光光伏电池阵列应用于点聚光的聚光光伏发电系统。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的密集聚光光伏电池阵列，可以通过改变阵列中电池的个数和类型，应用于不同规模和类型的聚光光伏发电系统或聚光光伏光热综合利用系统。
(2)本发明充分利用实际聚光光伏阵列的光斑分布特征，提供一种旋转对称的密集聚光光伏电池阵列连接方式，可以通过多种连接变化适应不同的电压电流需求，在无需增加其他部件或现有部件无重大改动的情况下，当聚光后太阳辐照呈现高斯分布或圆台分布时，通过这种连接方式降低大型聚光器的密集电池阵列模块中由于电流电压失配所带来的功率损失，提高各子电池及密集电池阵列的功率输出，改善密集电池阵列的输出特性曲线，同时可降低密集电池阵列的温度及温度分布不均匀程度，提高最大功率追踪的准确性和稳定性，提高密集聚光光伏电池阵列发电系统的效率、经济性和可靠性。
(3)本发明通过优化换热结构，提出的热沉模块可加强换热性能，在减少聚光光伏电池阵列的发热量的同时，降低阵列的温度及其分布的不均匀程度，减少散热所需功耗。
附图说明
附图1为密集聚光光伏电池阵列结构示意图；
附图2为热沉模块俯视图；
附图3为热沉模块结构及流动分布示意图；
附图4为棋盘式歧管通道换热结构示意图；
附图5为电池阵列的高斯光照分布；
附图6为方形聚光光伏密集电池阵列；
附图7为实施例1中方形布置的密集阵列四角旋转对称连接方式示意图；
附图8为实施例1中方形布置的密集阵列四角旋转对称连接的性能输出曲线；
附图9为实施例2中方形布置的密集阵列对角旋转对称连接方式示意图；
附图10为实施例2中方形布置的密集阵列对角旋转对称连接的性能输出曲线；
附图11为实施例3中圆形布置的密集阵列四角旋转对称连接方式示意图；
附图标记：
1-玻璃盖板，2-光伏电池阵列，3-热沉模块；
21-聚光电池，22-电池间导线；
31-热沉入口，32-热沉出口，33-热沉盖板，34-入口歧管，35-出口歧管，36-喷嘴，37针肋；
371-针肋底面，372-针肋肋壁；
231-方形阵列四角旋转对称连接第一子模块，232-方形阵列四角旋转对称连接第二子模块，233-方形阵列四角旋转对称连接第三子模块，234-方形阵列四角旋转对称连接第四子模块；
241-方形阵列对角旋转对称连接第一子模块，242-方形阵列对角旋转对称连接第二子模块，243-方形阵列对角旋转对称连接第三子模块，244-方形阵列对角旋转对称连接第四子模块；
251-圆形布置包含异形电池阵列四角旋转对称连接第一子模块，252-圆形布置包含异形电池阵列四角旋转对称连接第二子模块，253-圆形布置包含异形电池阵列四角旋转对称连接第三子模块，254-圆形布置包含异形电池阵列四角旋转对称连接第四子模块；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为密集聚光光伏电池阵列结构示意图，如图1所示，所述电池阵列包括玻璃盖板1、光伏电池阵列2和热沉模块3，其中光伏电池阵列2由聚光电池21和电池间导线22连接而成，将多个所述聚光电池21以阵列中心为原点，采用旋转对称的布局方式布置在热沉模块3上，以适应阵列表面近似高斯分布的太阳辐照，减少失配损失提高输出效率，根据电池几何形态以及太阳辐照分布特征，将光伏电池阵列2以阵列中心为原点，划分成若干个以中心为原点旋转对称或轴对称的子模块，将每个子模块内部的各电池通过电池间导线22进行并联、串联或全连接，也可为了适应不同电流、电压工作要求进行上述三种连接的混合连接，最后将所划分的若干子模块串联连接，形成方形、圆形或正多边形的电池阵列，最后再利用粘合剂将玻璃盖板1与密集聚光光伏电池阵列2粘合在一起，起到保护电池的作用，所述密集聚光光伏电池阵列通过逆变器与电气设备连接输出电能。
所述热沉模块3用于将投射在模块上太阳能转化为热量，利用流过的循环冷却工质带出模块，保证模块运行温度的合理稳定，此外，热沉流体带出的热量可用于热利用领域。附图2为热沉模块的俯视图，附图3为热沉模块结构示意图，结合图2和图3，所述热沉模块3由依次连接的热沉盖板33、入口歧管34、出口歧管35、喷嘴36、针肋37组成，其中针肋37又包括针肋底面371和针肋肋壁372，热沉模块3中的歧管通道，采用如图4所示的棋盘式结构歧管通道布局，在每个入口歧管34的四周布置4个出口歧管35，使每个出口喷嘴均被四个入口喷嘴包围，以均匀分配换热流体至整个吸热器，同时将针肋底面371设置在喷嘴36的下方，采用歧管系统和阵列针肋相结合的结构可强化换热。
所述热沉模块3的流动分布如图3所示，白色和黑色箭头分别代表入口和出口流体流动方向。换热流体首先从热沉入口31流入入口歧管34，均匀分流进入在歧管流道底部的喷嘴36，然后冲击在微尺度的针肋37底部加热面371上。入口歧管34的方向和喷嘴36的方向相垂直，因此换热流体在进入喷嘴36后流动方向和在入口歧管34中流动方向垂直。当换热流体在针肋37通道中流动时，通过针肋底面371和肋壁372吸收热量，换热流体从出口喷嘴36流出针肋层，进入出口歧管通道35，最后流体从出口侧32流出。
所述密集聚光光伏电池阵列工作于呈现高斯分布或圆台形分布特征的真实光照条件下，应用于包括但不限于碟式、菲涅尔式和塔式的点聚光的聚光光伏发电系统，所述聚光电池21的几何形态包括方形、扇形或异形，可选用砷化镓电池、背接触硅电池或叠层Ⅲ-Ⅴ族电池中的任一种。
所述密集聚光光伏电池阵列的连接为以阵列中心为原点的旋转对称连接方式，以实现干路电流的匹配。电池阵列的中心同时也是聚光辐照分布的中心，单个电池的最佳工作状态与光照分布密切相关。以坐标轴原点为中心，将阵列分成坐标轴为界的子模块，每个子模块中心对称。将阵列中电池间的连接设计成电流围绕阵列中心作旋转流经的趋势与光照分布相符合，可以均匀化每个子部分的运行状态，在总体上与干路电流相一致。由于光照变化对电压的影响很小，将每个子模块中的电池先进行并联连接，然后将各个子模块进行串联连接，之后作为整体输出。
下面结合实施例对本发明的连接方式进行详细说明。
实施例一
优选地，以方形布置的密集阵列四角旋转对称连接方式进行连接。本实施例采用如图5所示的高斯分布光照条件，选择图6所示的6×6的方形聚光光伏密集电池阵列，共36个方形聚光光伏电池，每个电池的规格为10mm×10mm，排列成6×6的电池阵列，并将每个电池从1-36进行编号。连接方式如图7所示，以坐标轴原点为中心，以坐标轴为界线，将电池阵列划分成4个子模块，每个子模块均包含9个以原点中心对称的聚光电池。将编号为1、2、3、7、8、9、13、14、15的电池进行并联，命名为方形阵列四角旋转对称连接第四子模块234，将编号为4、5、6、10、11、12、16、17、18的电池进行并联，命名为方形阵列四角旋转对称连接子第三模块233，将编号为22、23、24、28、29、30、34、35、36的电池进行并联，命名为方形阵列四角旋转对称连接第二子模块232，将编号为19、20、21、25、26、27、31、32、33的电池进行并联，命名为方形阵列四角旋转对称连接第一子模块231，然后将第一、二、三、四子模块串联，连接后整体输出，其输出曲线如图8所示。
实施例二
优选地，以方形布置的密集阵列对角旋转对称连接方式进行连接，本实施例采用如图5所示的高斯分布光照条件，选择图6所示的6×6的方形聚光光伏密集电池阵列，共36个方形聚光光伏电池，每个电池的规格为10mm×10mm，排列成6×6的电池阵列，并将每个电池从1-36进行编号。与实施例一不同的在于其密集聚光光伏电池阵列的连接方式如图9所示，为了适应不同的电压电流要求，本实施例采用对角旋转对称的连接方式，实现与实施例一的有效互补。将电池阵列两侧边缘部分编号为1、7、13、19、25、31的电池进行并联，命名为方形阵列对角旋转对称连接第一子模块241，将编号为6、12、18、24、30、36的电池进行并联，命名为方形阵列对角旋转对称连接第三子模块243。，将编号为2、3、4、5的中间部分电池进行串联，命名为串联组1，将编号为8、9、10、11的电池进行串联，命名为串联组2，将编号为14、15、16、17进行串联，命名为串联组3，将编号为20、21、22、23的电池进行串联，命名为串联组4，将编号为26、27、28、29的电池进行串联，命名为串联组5，将编号为32、33、34、35进行串联，命名为串联组6。然后对串联组4、5、6进行并联，命名为方形阵列对角旋转对称连接第四子模块244，对串联组1、2、3进行并联命名为方形阵列对角旋转对称连接第二子模块242，最后将第一、二、三、四子模块串联起来构成整个阵列进行输出。其输出曲线如图10所示。
实施例三
优选地，以圆形布置包含异形电池的的密集阵列四角旋转对称连接方式进行连接，与实施例一、二不同的是其阵列形状为圆形，采用52个光伏电池组成。包括正方形聚光电池和异型电池。每个电池间通过连接组成一个阵列然后用于聚光光伏发电系统中。其连接方式如图11所示，以坐标轴原点为中心，以坐标轴为界线，将电池阵列划分成的四个子部分，将编号为1、2、5、6、7、11、12、13、14、19、20、21、22的电池进行并联，命名为圆形布置包含异形电池阵列四角旋转对称连接第四子模块254，将编号为3、4、8、9、10、15、16、17、18、23、24、25、26的电池进行并联，命名为圆形布置包含异形电池阵列四角旋转对称连接第三子模块253，将编号为31、32、33、34、39、40、41、42、46、47、48、51、52的电池进行并联，命名为圆形布置包含异形电池阵列四角旋转对称连接第二子模块252，将编号为27、28、29、30、35、36、37、38、43、44、45、49、50的电池进行并联，命名为圆形布置包含异形电池阵列四角旋转对称连接第一子模块251。然后将第一、二、三、四子模块串联起来构成阵列进行输出。
从附图8和附图10可以看出，电池阵列整体输出的V-P曲线光滑，有利于降低系统最大功率追踪的难度，大幅度降低MPPT设备成本，减少相关部件的成本和功耗。同时，本发明所提出的这种具有旋转对称特征的连接设计，可明显降低大型聚光器的密集电池阵列模块中由于电流电压失配所带来的功率损失，提高各子电池及密集电池阵列的功率输出，并因此降低密集电池阵列的温度及温度分布不均匀程度，提高最大功率追踪的准确性和稳定性，提高密集聚光光伏电池阵列发电系统的效率、经济性和可靠性。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，其特征在于，包括：玻璃盖板(1)、光伏电池阵列(2)和热沉模块(3)；将所述光伏电池阵列(2)按照电池几何形态和太阳辐照分布特征，以阵列中心为原点划分为若干个具有旋转对称特征的子模块，通过电池间导线(22)将每个子模块中的聚光电池(21)进行内部连接，再将各个子模块串联，使密集电池阵列中的电流方向总体以所选原点为中心旋转，最终形成方形、圆形或正多边形的电池阵列，将所述光伏电池阵列(2)布置在热沉模块(3)上，利用循环冷却工质将投射在热沉模块(3)上的太阳能转化为热量带出模块，以保证模块的稳定运行，通过粘合剂将玻璃盖板(1)与密集聚光光伏电池阵列(2)粘合在一起，以保护电池，太阳辐照分布为高斯分布或圆台分布。
2.根据权利要求1所述的一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，其特征在于，所述旋转对称包括四角旋转对称和对角旋转对称。
3.根据权利要求1所述的一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，其特征在于，所述电池几何形态包括方形、扇形。
4.根据权利要求1所述的一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，其特征在于，所述各子模块的内部连接包括并联或串联或全连接，或包含以上三种连接的混合连接。
5.根据权利要求1所述的一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，其特征在于，所述聚光电池(21)选用砷化镓电池、背接触硅电池或叠层Ⅲ-Ⅴ族电池中的任一种。
6.根据权利要求1所述的一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，其特征在于，所述热沉模块(3)由热沉盖板(33)、入口歧管(34)、出口歧管(35)、喷嘴(36)和针肋(37)依次连接组成，其中，针肋(37)由针肋底面(371)和针肋肋壁(372)构成；在所述热沉模块(3)的入口侧和出口侧分别设置热沉入口(31)、热沉出口(32)，所述热沉模块(3)的歧管管道采用国际象棋黑白格式棋盘布局，且歧管流道的方向和喷嘴喷射方向相垂直，使每个出口喷嘴被四个入口喷嘴包围，以均匀分配换热流体至整个吸热器。
7.根据权利要求6所述的一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，其特征在于，所述热沉模块(3)的换热流体首先从热沉入口(31)流入歧管流道，均匀分流进入位于歧管流道底部的喷嘴(36)，然后冲击在针肋底面(371)的加热面上，当换热流体在针肋通道中流动时，通过针肋底面(371)和针肋肋壁(372)吸收热量，换热流体从出口喷嘴流出针肋(37)，进入出口歧管(35)通道，最后从出热沉出口(32)流出。
8.根据权利要求1所述的一种减少失配损失的密集聚光光伏电池阵列，其特征在于，所述密集聚光光伏电池阵列应用于点聚光的聚光光伏发电系统。
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