CN109981048B - 一种阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置，包括太阳能电池、聚光结构、跟踪控制器、散热冷却系统；聚光结构包括菲涅尔透镜和固定架；太阳能电池设置在固定架的底部；跟踪控制器连接驱动聚光结构；其中，散热冷却系统为环路热管冷却系统，包括蒸发器、补偿器、气体管线、液体管线、冷凝器，蒸发器的一端经气体管线、另一端依次经补偿器和液体管线连接到冷凝器上而构成冷却回路；蒸发器与太阳能电池封装固定、且与聚光结构和跟踪控制器形成电池单元；二个或二个以上电池单元并联设置在所述冷却回路上而形成阵列式结构。本发明通过热管系统液体工质的相变循环，将太阳能电池产生的热量带走而实现散热冷却、提高转换效率的同时，有效提高整个聚光光伏发电系统的综合性能和效率。
Description
技术领域
本发明涉及聚光光伏发电技术领域，尤其涉及一种阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置。
背景技术
太阳能以其资源丰富、可再生、清洁等独特优势逐渐被广泛应用于各个领域，一直是21世纪各国普遍关注的新能源之一。太阳能转换成电能供各种设备及场所使用已成为最为便捷的方式之一。聚光光伏发电技术采用低成本的聚光结构代替高成本的半导体材料，在减少铺设面积的同时，很大程度上降低了光伏发电成本。因此，聚光光伏是一种减少耗材、节约成本以及提高太阳能电池发电效率的太阳能利用技术，一直受到商业光伏领域的青睐。但是，光照辐射大部分能量是以热能的形式传递给太阳能电池，而光伏发电系统的发电效率对温度非常敏感，当温度增加时，开路电压严重下降，短路电流略微上升，造成输出功率的下降。因此，随着电池温度的提高，其光电转换效率会相应降低。研究表明，电池温度每升高1℃，电池发电效率下降0.4～0.5％左右，长期工作条件下，将严重损害电池的内部结构，缩短其使用寿命。
为了保证聚光光伏发电系统高效的发电效率，通常需要对太阳能电池进行接触散热冷却，以保证稳定的工作温度。目前，现有常规的冷却方式主要采用风冷散热和水冷散热。但是这两种散热方式在散热冷却的过程中，需要额外的耗功(泵、风机等其他动力机械)来完成对太阳能电池的散热冷却，使得整个聚光光伏发电系统的综合评价降低。为此，针对聚光光伏发电系统提供一种新型的散热冷却方式，以有效提升太阳能电池发电效率，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置，通过热管系统液体工质的相变循环，将太阳能电池产生的热量带走而实现散热冷却、提高转换效率的同时，有效提高整个聚光光伏发电系统的综合性能和效率。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置，包括太阳能电池、聚光结构、跟踪控制器、散热冷却系统；所述聚光结构包括菲涅尔透镜和固定架；所述太阳能电池设置在固定架的底部；所述跟踪控制器连接驱动聚光结构；其中，所述散热冷却系统为环路热管冷却系统，包括蒸发器、补偿器、气体管线、液体管线、冷凝器，所述蒸发器的一端经气体管线、另一端依次经补偿器和液体管线连接到冷凝器上而构成冷却回路；所述蒸发器与太阳能电池封装固定、且与聚光结构和跟踪控制器形成电池单元；所述二个或二个以上电池单元并联设置在所述冷却回路上而形成阵列式结构。
本发明太阳能电池在聚光条件下产生的热量传输给蒸发器，使得储存在其内的液体工质受热相变蒸发，所形成的蒸汽通过气体管线进入冷凝器进行低温换热冷凝而形成液体，该液体进而通过液体管线进入补偿器以储存并重新供给蒸发器。这样，通过液体工质的相变循环将太阳能电池产生的热量带走，从而实现散热冷却、提高转换效率的目的。
进一步地，本发明可采取如下具体措施：所述蒸发器包括壳体、以及设置在壳体内的主毛细芯、副毛细芯、气室；所述主毛细芯紧贴在壳体壁面上，通过排列在主毛细芯壁面上的孔槽与气室连通；所述气室与气体管线连接；这样，通过导热性强的主毛细芯使液体工质进行相变蒸发，在毛细力驱动下工质循环，从而将工质相变蒸发形成的蒸汽及时转移到气体管线中，防止工质倒流；所述补偿器位于蒸发器的壳体内，使得结构紧凑、且便于一体化设计；为防止太阳能电池区域产生的热量通过主毛细芯向补偿器内的工质传递，所述副毛细芯连通在主毛细芯和补偿器之间，也即冷凝后的液体在毛细抽吸力的作用下经液体管线进入补偿器，经低导热性的副毛细芯重新进入主毛细芯，从而避免补偿器的液体工质相变蒸发，进而避免了主毛细芯干涸所造成的系统安全问题。
上述方案中，本发明所述主毛细芯是以CaCl2为造孔剂、铜粉为原料，采用粉末冶金结合添加造孔剂技术制成的双孔径毛细芯，具有高孔隙率、高渗透率、导热性能强的特点；所述副毛细芯为多孔陶瓷材料，具有高孔隙率、低导热性的特点。所述蒸发器内采用乙醇、甲醇作为液体工质，避免工质结冰引起环路热管启动失效。
为使结构进一步更加紧凑，本发明所述蒸发器壳体为平板型，所述每个蒸发器上排列设置有二个或二个以上、相互串联或并联连接的太阳能电池。平板型的蒸发器壳体有利于和多个太阳能电池封装固定，进而通过各蒸发器的并行设置形成阵列式结构。所述冷凝器为管壳式换热器，能够快速对工质进行凝结换热，并且有助于热能的有效利用。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用环路热管系统与聚光光伏系统结合，通过液体工质的相变循环进行散热，不仅大幅降低了太阳能电池的工作温度，有利于提高转换效率，而且环路热管无需运动部件，减少耗功，对整个光伏系统性能提升具有积极作用。
(2)本发明基于环路热管作为散热冷却系统应用于聚光光伏电池领域，与现有常规热管(重力热管)相比，可避免太阳能电池聚光跟踪过程中的重力干扰。与常规热管相比，环路热管冷却系统具有抗重力、热传输距离长、热量传递单向性、等温性好等特点
(3)本发明蒸发器与太阳电池封装在一起，重量轻且结构简单，气体管线和液体管线分离，毛细抽吸性能强，便于工质长距离运输以实现对热量的转移和保持太阳电池均匀的工作温度。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是本发明实施例的装置结构原理图；
图2是图1实施例中聚光光伏系统的结构示意图；
图3是图1实施例中环路热管冷却系统的结构示意图。
图中：太阳能电池1，聚光结构2，菲涅尔透镜2a，固定架2b，跟踪控制器3，蒸发器4，壳体4a，主毛细芯4b，副毛细芯4c，气室4d，补偿器5，气体管线6，液体管线7，冷凝器8，电池单元9
具体实施方式
图1～图3所示为本发明一种阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置的实施例，包括太阳能电池1、聚光结构2、跟踪控制器3、散热冷却系统。
如图2所示，聚光结构2包括菲涅尔透镜2a和固定架2b；太阳能电池1设置在固定架2b的底部；跟踪控制器3连接驱动聚光结构2。
如图3所示，散热冷却系统为环路热管冷却系统，包括蒸发器4、补偿器5、气体管线6、液体管线7、冷凝器8、液体工质。液体工质为乙醇、甲醇。
如图3所示，蒸发器4包括壳体4a、以及设置在壳体4a内的主毛细芯4b、副毛细芯4c、气室4d。
主毛细芯4b为多孔介质材料，呈方形紧贴在壳体4a壁面上，通过排列在主毛细芯4b壁面上的孔槽与气室4d连通，气室4d经气体管线6连接到冷凝器8上。补偿器5位于壳体4a内。副毛细芯4c则连通在主毛细芯4b和补偿器5之间。补偿器5经液体管线7连接到冷凝器8上，从而与蒸发器4、气体管线6构成冷却回路。
蒸发器壳体4a为平板型，其上排列有多块相互串联或并联连接的太阳能电池1(见图1)，且与聚光结构2和跟踪控制器3形成电池单元9。如图1所示，若干电池单元9并联设置在上述冷却回路上并形成阵列式结构。
蒸发器5中的主毛细芯4b是以CaCl2为造孔剂，铜粉为原料，采用粉末冶金结合添加造孔剂技术制成的双孔径毛细芯，具有高孔隙率、高渗透率，导热性能强的特点；副毛细芯4c为多孔陶瓷材料，具有高孔隙率、低导热性的特点。冷凝器8为管壳式换热器，能够快速对工质进行凝结换热。
本实施例工作原理如下：
太阳能电池1在聚光条件下产生的热量传输给蒸发器4，经导热性强的主毛细芯4b使液体工质相变蒸发，蒸汽则通过主毛细芯壁面上的孔槽进入气室4d，经气体管线6进入冷凝器8进行低温换热冷凝而形成液体。在蒸发器4中主毛细芯4b的毛细抽吸力作用下，冷凝液体经液体管线7进入补偿器5，经低导热性的副毛细芯4c重新进入主毛细芯4b内完成循环。这样，通过液体工质相变循环将太阳能电池1产生的热量带走，从而实现散热冷却、提高转换效率的目的。
Claims (4)
1.一种阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置，包括太阳能电池(1)、聚光结构(2)、跟踪控制器(3)、散热冷却系统；所述聚光结构(2)包括菲涅尔透镜(2a)和固定架(2b)；所述太阳能电池(1)设置在固定架(2b)的底部；所述跟踪控制器(3)连接驱动聚光结构(2)；其特征在于：所述散热冷却系统为环路热管冷却系统，包括蒸发器(4)、补偿器(5)、气体管线(6)、液体管线(7)、冷凝器(8)，所述蒸发器(4)的一端经气体管线(6)、另一端依次经补偿器(5)和液体管线(7)连接到冷凝器(8)上而构成冷却回路；所述蒸发器(4)与太阳能电池(1)封装固定、且与聚光结构(2)和跟踪控制器(3)形成电池单元(9)；二个以上所述电池单元(9)并联设置在所述冷却回路上而形成阵列式结构；
所述蒸发器(4)包括壳体(4a)、以及设置在壳体(4a)内的主毛细芯(4b)、副毛细芯(4c)、气室(4d)；所述主毛细芯(4b)紧贴在壳体(4a)壁面上，通过排列在主毛细芯壁面上的孔槽与气室(4d)连通；所述气室(4d)与气体管线(6)连接；所述补偿器(5)位于蒸发器(4)的壳体(4a)内；所述副毛细芯(4c)连通在主毛细芯(4b)和补偿器(5)之间；
所述主毛细芯(4b)是以CaCl2为造孔剂、铜粉为原料，采用粉末冶金结合添加造孔剂技术制成的双孔径毛细芯；所述副毛细芯(4c)为多孔陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置，其特征在于：所述蒸发器(4)内采用乙醇、甲醇作为液体工质。
3.根据权利要求1所述的阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置，其特征在于：所述蒸发器(4)为平板型，每个所述蒸发器(4)上排列设置有二个以上相互串联或并联连接的太阳能电池(1)。
4.根据权利要求1所述的阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置，其特征在于：所述冷凝器(8)为管壳式换热器。
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