CN108768292B - 一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高倍聚光密排电池散热领域，具体涉及一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统；包括底部设有进液口、顶部有出液口的相变液冷接收器，所述相变液冷接收器的出液口和进液口之间通过管路顺次串接有换热器、冷却工质储罐、第一抽液泵；所述换热器的内部缠绕有设有进液口和出液口的盘管，盘管的进液口与出液口之间通过管路顺次连接有第二抽液泵和换热工质储罐；所述相变液冷接收器倾斜设置，相变液冷接收器的内部相对的一组内侧壁上连接有若干个彼此平行且呈阶梯式排列的太阳能电池;密排电池阶梯式排布，减少了气泡对电池正面入射光线的影响；使得相变液冷接收器内部流体的密度差异也呈现阶梯式分布，增加了流体自运转推动力，降低冷却系统能耗。
Description
技术领域
本发明涉及高倍聚光密排电池散热领域，具体涉及一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统。
背景技术
随着工业的快速发展，全球化石能源短缺，作为清洁可再生的太阳能资源备受瞩目。在众多太阳能利用的技术中，聚光光伏发电技术以其低成本而迅速成为研究热点和前沿。随着太阳能电池的快速发展和电池材料的提高，采用多结聚光太阳能电池的高倍聚光光伏系统被认为是前景较好的利用太阳能的发电系统。主要优势是具有较高的发电效率和相对较低的发电成本。然而，虽然目前高倍聚光光伏系统中应用的多结电池发电效率高达46%，但是仍有大于50%的太阳能转化为热量，电池的发电效率会随着太阳能电池温度的升高而降低，尤其是在高倍聚光条件下，热量的累积会使电池效率急剧下降；同时电池组件各部位的热膨胀系数不同，长期热应力的作用可能破坏电池组件，降低光伏系统的运行寿命。因此，在高倍聚光条件下多结电池的有效散热问题亟待解决。
目前，高倍聚光太阳能电池散热技术主要有喷射流冷却、微通道冷却、两相流冷却、纳米流体冷却以及上述冷却方式的结合应用等。但上述冷却方式都是间壁式冷却，这只能利用电池的背面来散热，在很大程度上提高了冷却过程中的间壁热阻，降低传热效果；且很难进一步降低电池和冷却剂间热阻以满足更高聚光比和电池散热均匀性的要求，开发并研究非间壁散热方式是未来研究重点。研究发现，低沸点液体直接接触浸没冷却方法，实现高倍聚光光伏系统中聚光太阳能电池的有效散热。这一方法使得电池与冷却液体直接接触，将传统的间壁热阻转换为流体与电池表面的边界层热阻，大大降低传热阻力；电池的正反面同时与冷却液体接触，增加电池的散热面积；同时，在低沸点工质受热相变过程中产生气泡的汽提作用推动流体的自运转，降低冷却系统能耗。但是研究发现，低沸点工质冷却电池时，受热后流体相变产生的气泡会对电池正面的入射光线产生较大的负面影响。
发明内容
本发明为解决低沸点液体直接接触浸没冷却电池时，低沸点流体受热后流体相变产生的气泡会对电池正面的入射光线产生较大的负面影响，提供一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统，包括底部设有进液口、顶部有出液口的相变液冷接收器，所述相变液冷接收器的出液口和进液口之间通过管路顺次串接有换热器、冷却工质储罐、第一抽液泵；所述换热器的内部缠绕有盘管，所述盘管设有进液口和出液口，盘管的进液口与出液口之间通过管路顺次连接有第二抽液泵和换热工质储罐；所述相变液冷接收器呈箱体形且倾斜设置，相变液冷接收器的内部相对的一组内侧壁上连接有若干个彼此平行且呈阶梯式排列的太阳能电池，太阳能电池的两个端部分别与相变液冷接收器的一组内侧壁连接固定连接；呈阶梯式排列的太阳能电池的倾斜方向与相变液冷接收器的倾斜方向一致；所述第一抽液泵和第二抽液泵共同连接有调节器；所述太阳能电池连接有蓄电池，所述蓄电池连接调节器为第一抽液泵和第二抽液泵供电。
上述系统的工作过称为：首先冷却工质储罐装入低沸点冷却液，换热工质储罐装入水，调节器调节第一抽液泵工作，冷却工质储罐的低沸点冷却液由于相变液冷接收器的进液口进入至相变液冷接收器与太阳能电池接触，电池的正反面同时与冷却液体接触，增加电池的散热面积；同时，在低沸点工质受热相变过程中产生气泡的汽提作用推动流体的自运转，降低冷却系统能耗。当电池接收太阳光照射后，电池表面产生大量的热，在冷却接收器内部电池周围的冷却液液吸收电池表面产生的热量进而发生相变，产生气泡向上流动，形成气液两相，导致接收器内及其上部管路中流体之间产生了密度差，进而产生了液体向上流动的推动力，当气液两相到达冷却系统顶部进入换热器，换热器通过第二抽液泵和换热工质储罐内的水不断流经换热器的盘管对换热器进行冷却换热，气相被冷却回流后与液相一起进入下降管路，回流到冷冷却工质储罐内部。在汽提作用与重力作用的共同作用下，实现冷却流体在系统内部的自动循环流动，降低系统的寄生能耗。
上述工作过程中，在相变液冷接收器内的电池呈现阶梯式排列，下方电池表面产生的气泡会依靠气泡本身的浮力从上方电池的背板后流道通过，不会影响上方电池表面的光线。阶梯式分布的密排电池表面流体的厚度不同如图2所示，对光线的吸收程度不同，在一定的聚光比条件下，下方电池相比于上方电池接收到的光照强度呈现递减趋势，这会使得接收器内热量分布从下至上依次递增，这会使得上方液体的气泡产生情况相比于下方液体加剧，这样在相变液冷接收器内从下至上流体密度差更大，更有利于流体在汽提作用下自运转流动，降低了冷却系统的能耗。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明中密排电池阶梯式排布，减少了气泡对电池正面入射光线的影响；电池排布方式使得相变液冷接收器内部流体的密度差异也呈现阶梯式分布，增加了流体自运转推动力，降低冷却系统能耗。
附图说明
图1为本发明太阳能电池排布方式的相变液冷系统的结构示意图。
图2为相变液冷接收器的侧视图。
图中标记如下：
1-相变液冷接收器，2-换热器，3-冷却工质储罐，4-第一抽液泵，5-第二抽液泵，6-换热工质储罐，7-太阳能电池，8-调节器，9-蓄电池。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统，包括底部设有进液口、顶部有出液口的相变液冷接收器1，所述相变液冷接收器1的出液口和进液口之间通过管路顺次串接有换热器2、冷却工质储罐3、第一抽液泵4；所述换热器2的内部缠绕有盘管，所述盘管设有进液口和出液口，盘管的进液口与出液口之间通过管路顺次连接有第二抽液泵5和换热工质储罐6；所述相变液冷接收器1呈箱体形且倾斜设置，相变液冷接收器1的内部相对的一组内侧壁上连接有若干个彼此平行且呈阶梯式排列的太阳能电池7，太阳能电池7的两个端部分别与相变液冷接收器1的一组内侧壁连接固定连接；呈阶梯式排列的太阳能电池7的倾斜方向与相变液冷接收器1的倾斜方向一致；所述第一抽液泵4和第二抽液泵5共同连接有调节器8；所述太阳能电池7连接有蓄电池9，所述蓄电池9连接调节器8为第一抽液泵4和第二抽液泵5供电。太阳能电池发电后输送给蓄电池9，蓄电池9从而可以为第一抽液泵4和第二抽液泵5供电。
如图2所示，入射光线从相变液冷接收器1与地面的夹角为锐角的一侧照射，从图中可以看出太阳能电池7呈阶梯式排列，太阳能电池7的与相变液冷接收器1固定连接的同一端的端部不在一条直线上。与下方电池相比于上方电池接收到的光照强度呈现递减趋势，这会使得接收器内热量分布从下至上依次递增，这会使得上方液体的气泡产生情况相比于下方液体加剧，这样在相变液冷接收器1内从下至上流体密度差更大，更有利于流体在汽提作用下自运转流动，降低了冷却系统的能耗。
进一步的，所述每个太阳能电池7的表面均设置有温度测量装置。
进一步的，任意两个相邻的太阳能电池7在竖直方向的间距一致。
进一步的，所述相变液冷接收器1内连接的太阳能电池7的数量为四排，每一排为4个。
进一步的，冷却工质储罐3内装有乙醇，换热工质储罐6内装有水。
对设有四个太阳能电池7的如图1所示的，且冷却工质储罐3内装有乙醇，换热工质储罐6内装有水的相变液冷系统进行以下试验，测试结果如下：
实施例1：
在聚光比为150x时，模拟太阳能电池7表面流体流动速度在0.2m/s，此时雷诺数为9387，说明流体处于湍流状态。太阳能电池7表面温度从下至上依次为87℃，88.5℃，88.9℃，89.5℃，远远低于多结电池限制的最高温度120℃，电池表面最大温差为2.5℃，表面对流传热系数为1.5╳105kW/(m2·K)，相比于泵主动驱动间壁式水冷方式能量利用的最大效率，乙醇直接接触相变冷却的最大效率提高了5%。
实施例2：
在聚光比为200x时，模拟电池表面流体流动速度在0.22m/s，此时雷诺数为9867，说明流体处于湍流状态。电池表面温度为88.2℃，88.7℃，89.2℃，90℃，，远远低于多结电池限制的最高温度120℃，电池表面最大温差为1.8℃，表面对流传热系数为1.9╳105kW/(m2·K)，相比于泵主动驱动间壁式水冷方式能量利用的最大效率，乙醇直接接触相变冷却的最大效率提高了6.1%。
实施例3：
在聚光比为350x时，模拟电池表面流体流动速度在0.245m/s，此时雷诺数为10565，说明流体处于湍流状态。电池表面温度为88.7℃，89.2℃，89.9℃，90.9℃，远远低于多结电池限制的最高温度120℃，电池表面最大温差为2.2℃，表面对流传热系数为2.2╳105kW/(m2·K)，相比于泵主动驱动间壁式水冷方式能量利用的最大效率，乙醇直接接触相变冷却的最大效率提高了6.5%。
实施例4：
在聚光比为400x时，模拟电池表面流体流动速度在0.26m/s，此时雷诺数为10697，说明流体处于湍流状态。电池表面温度为89℃，89.3℃，90.2℃，91.1℃，远远低于多结电池限制的最高温度120℃，电池表面最大温差为2.1℃，表面对流传热系数为2.6╳105kW/(m2·K)，相比于泵主动驱动间壁式水冷方式能量利用的最大效率，乙醇直接接触相变冷却的最大效率提高了7.0%。
Claims (6)
1.一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统，其特征在于，包括底部设有进液口、顶部有出液口的相变液冷接收器（1），所述相变液冷接收器（1）的出液口和进液口之间通过管路顺次串接有换热器（2）、冷却工质储罐（3）、第一抽液泵（4）；所述换热器（2）内部缠绕有盘管，所述盘管设有进液口和出液口，盘管的进液口与出液口之间通过管路顺次连接有第二抽液泵（5）和换热工质储罐（6）；所述相变液冷接收器（1）呈箱体形且倾斜设置，相变液冷接收器（1）的内部相对的一组内侧壁上连接有若干个彼此平行且呈阶梯式排列的太阳能电池（7），太阳能电池（7）的两个端部分别与相变液冷接收器（1）的一组内侧壁连接固定连接；呈阶梯式排列的太阳能电池（7）的倾斜方向与相变液冷接收器（1）的倾斜方向一致；所述第一抽液泵（4）和第二抽液泵（5）共同连接有调节器（8）；所述太阳能电池（7）连接有蓄电池（9），所述蓄电池（9）连接调节器（8）为第一抽液泵（4）和第二抽液泵（5）供电。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统，其特征在于，所述每个太阳能电池（7）的表面均设置有温度测量装置。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统，其特征在于，所述相变液冷接收器（1）的入口设置有流量测量装置。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统，其特征在于， 任意两个相邻的太阳能电池（7）在竖直方向的间距一致。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统，其特征在于，所述相变液冷接收器（1）内连接的太阳能电池（7）的数量为四排，每一排为4个太阳能电池串联。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能电池排布方式的相变液冷系统，其特征在于，冷却工质储罐（3）内装有乙醇，换热工质储罐（6）内装有冷却水。
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