CN111682832A

CN111682832A - 一种基于微热管板及w型翅片的光伏温差联合发电装置

Info

Publication number: CN111682832A
Application number: CN202010426218.9A
Authority: CN
Inventors: 何志霞; 台颖娣; 王裕博
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2020-09-18

Abstract

本发明公开了一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，包括微热管板，在微热管板内部设置多组微通道；微热管板上、下两侧的外壁面分别为温差发电单元热端和温差发电单元冷端；温差发电单元热端和温差发电单元冷端分别与光伏电池板和散热单元粘连；微热管板上、下两侧的内壁面之间通过温差发电单元相连；光伏电池板、温差发电单元分别连接双输入DC‑DC变换器，对光伏温差产生的电能进行收储。能够对太阳能电池板发电过程中产生的有害热量进行高效利用并实现光伏温差联合发电。

Description

一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置

技术领域

本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置

背景技术

太阳能光伏发电技术一种是利用光伏电池吸收太阳光辐射能并使之转变成电能的直接发电方式，由于其发电过程简单、不消耗燃料、无噪声和污染等特点，光伏发电技术目前已经得到了广泛的应用。然而，太阳能电池吸收到的太阳能辐射能仅有10％-20％可转化为电能，在电池长时间接收太阳辐射后，其余未被利用的大部分能量将会以热能的形式不断积聚，使得其光电转换效率因光伏电池的温度不断升高而降低。另外，若电池板长时间处于高温或者热量散失不均匀的状态也会大大缩短太阳能电池的使用寿命。

基于塞贝克效应的温差发电技术可通过消耗热能产生电能，具有安全、无污染、结构简单、使用寿命长等特点，将其与光伏发电相结合，利用光伏电池板上的废热进行温差发电，一方面可以通过降低电池板温度提高光电转化效率与电池寿命，另一方面可额外产生电能，提高太阳能的利用率。然而，由于与光伏电池相结合，温差发电片的工作条件受限，使得其冷热端温度分布难以均匀，同时由于缺乏散热能力强的装置使得温差发电片冷热端温差不大，这不仅会损坏温差发电设备，而且使其转换效率低下。作为一种辅助发电设备，温差电池工作受环境影响较大，当光伏电池刚开始工作或是电池板面的温度与环境温度并无太大区别时，光伏电池并不需要降温。若将此温度作为温差电池的热源，就会使温差过小导致温差电池发电效率不够理想，同时电能的输出质量与使用寿命也会相应降低。

由现状可知，目前太阳能光伏温差发电方面并不具备综合性能指数很高的装置，因此进一步研究完善相关技术显得尤为重要。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，能够对太阳能电池板发电过程中产生的有害热量进行高效利用并实现光伏温差联合发电。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，包括微热管板，在微热管板内部设置多组微通道；所述微热管板上、下两侧的外壁面分别为温差发电单元热端和温差发电单元冷端；温差发电单元热端和温差发电单元冷端分别与光伏电池板和散热单元粘连；所述微热管板上、下两侧的内壁面之间通过温差发电单元相连；所述光伏电池板、温差发电单元分别连接双输入DC-DC变换器，对光伏温差产生的电能进行收储。

进一步，所述温差发电单元包括热电晶体、导电铜片、正电极、负电极及输出电极组成；所述导电铜片粘连在微热管板上、下两侧的内壁面上；上、下两侧上的导电铜片3之间相对设置，且通过热电晶体连接上、下两侧的导电铜片，实现热电偶之间相互串联。

进一步，所述热电晶体是由P型、N型Bi₂Te₃晶块组成的多对热电偶，在每个导电铜片上放置一对P型和N型Bi₂Te₃热电晶块，相邻导电铜片上不同类型的热电晶块用导电铜片连接从而实现热电偶之间相互串联；所述导电铜片与Bi₂Te₃晶块间使用导电银浆连接，所述导电铜片和导电银浆分别采用纯铜与烧结型银浆；不仅起到导电的作用，同时减小Bi₂Te₃晶块与冷、热端之间的热阻，使热电晶体两端温度更加接近其冷热端温度，从而增加热电晶体两端温差；

进一步，每个微通道之间等间隔分布；所述微通道内填充有液体工质，液体工质可选用水、甲醇或酒精等，并在液体工质中添加有Al₂O₃、TiO₂或CuO等纳米颗粒；例如可使用甲醇作为液体工质，将颗粒大小为50nm的Al₂O₃纳米颗粒加入甲醇中形成质量分数为1％～5％的纳米流体，可用于提升液体工质中的导热系数。

进一步，所述微通道的上、下表面上均匀设置为齿状，向微通道内凹的为微翅结构，向微通道外凸的为微槽；通过分布在每个微小热管的内部的微翅结构和微槽，不仅加速了热量在微热管板内部的传递，同时大大增加了热管壁与液态工质的接触面积，起到了加强液态工质的吸热和放热作用。

进一步，所述微热管板的壁面上采用导热膏分别与导电铜片、光伏电池板和散热单元粘连；

进一步，所述散热单元包括流水箱，流水箱内平行设置多块翅片板，所述翅片板之间排列成“W型”；并在W型翅片板相对方向分别设置进水口与出水口。

进一步，联合发电装置配有热开关装置，所述热开关装置对温差发电单元输出电线通断进行控制。

本发明的有益效果：

1.温差电池利用其所具有的热电材料的塞贝克效应将冷热端温差转化为电能，具有清洁无害、可靠耐用的优点。本发明将光伏电池与温差电池相结合，令光伏电池工作过程中产生的热量作为温差电池的热源，一方面降低了光伏电池板自身温度，保护了光伏电池性能提高了光伏电池效率，另一方面温差电池利用光伏电池板向下传递的热量进行发电，实现能量的二次利用，增加了总体电输出。

2.本发明所述微热管板内具有多个可以独立运行的微小热管，微翅结构分布在每个微小热管的内部，这些微翅结构不仅加速了热量在微热管内部的传递，同时大大增加了热管壁与液态工质的接触面积，起到了加强液态工质的吸热和放热作用。并且热管内部微通道内的液态工质中添加的一定量的纳米颗粒也大大提升了原来基液中的导热系数。

3.由于本发明所述微热管板的制作采用一次性整压成型的技术，微热管板内的每一根微小热管都可以独立运行，使得微小热管的工作状态不会相互产生较大干扰，大大提高了微热管板的使用可靠性，并且一次性整压成型技术保证了每个热管与热管之间存在热管壁，大大加强了微热管板的稳定性，降低了其制作成本。同时可以给温差发电系统进行支撑，防止温差发电单元两端由于面积过大而导致的受力不均，增加系统的使用寿命。

4.由于微小热管内具有极其细小的微通道，同时液态工质在相变的过程中有极其严格的饱和压力，在饱和压力与细小微通道的共同作用下，液态工质的传热速度极快，忽略相变时间，则细小微热管可以看成均温管，微热管板便具有均温特性。将具有均温特性的微热管板应用在温差发电单元冷热两端，保证了温差发电片冷、热两端温度均匀分布，从而减少因受热不均而引起的转换效率降低、损坏设备等问题。

5.本发明所述W型翅片板通道倾斜在垂直基板上，其通道长度明显小于一般平行板肋片的通道长度。当换热工质水在W型翅片板通道流动时具有较短的换热长度，产生入口效应，边界层变薄，传热系数增大，从而增强温差发电单元底部的散热能力，增加其冷、热端温差，进而提高温差电池的发电效率。

6.本发明所述热开关装置通过传送带、主动齿轮、从动齿轮、啮合齿轮组及电机等装置实现了热开关的断开与闭合，在实现能量的梯级利用的同时又提升装置对环境的适应性。在不同情况下，两种模式的切换不仅可以提升光伏温差联合发电装置的发电效率，也可使得二者联合输出的电能更加稳定。

7.相较于光伏发电，温差发电效率较低，故光伏电池输出的电压比温差发电输出大得多。为了使该系统能够更符合实际应用，本发明针对光伏温差联合发电组件设置电压输出转换电路，使得该系统在正常工作时能够稳定输出直流电。

附图说明

图1为本发明的光伏温差复合发电装置示意图；

图2为微热管板结构示意图；

图3为W型翅片结构示意图；

图4为热开关装置图；

图5为热开关结构工作流程图；

图中，1、光伏电池板，2a、上微热管板，2b、下微热管板，21、微通道，22、热管壁，23、微翅结构，24、微槽，3、导电铜片，4、热电晶体，5、进水口，6、流水箱，7、翅片板，8、出水口，9、热开关装置，91、支撑架，92、从动齿轮，93、传送带，94、托板，95、主动齿轮，96、啮合齿轮组，97、电机，10、开关控制器，11、双输入DC-DC变换器，12、负载或蓄电池。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，包括环状的微热管板，微热管板包括上微热管板2a和下微热管板2b。其中，上微热管板2a的上表面为温差发电单元热端，并通过导热膏与光伏电池板1粘连，且微热管板2a的尺寸大小与光伏电池板1尺寸相适应；光伏电池板1的正极、负极分别通过导线与双输入DC-DC变换器11相连。在本实施例中，微热管板2a与2b均采用铝制材料进行一次性整压成型，不仅使微热管板2a与2b易于制作以及具有较强的热传导能力，而且使整体装置更加轻巧，相变过程迅速，不存在漏水、结垢、爆管的现象。

上微热管板2a与下微热管板2b之间粘连有温差发电单元，温差发电单元包括热电晶体4、导电铜片3、正负电极及输出电极组成；其中，导电铜片3是通过导热膏等间隔粘贴在上微热管板2a的下表面和下微热管板2b的上表面；且上、下导电铜片3之间通过热电晶体4连接；更具体地，热电晶体4是由P型、N型Bi₂Te₃晶块组成的多对热电偶，在每个导电铜片3上放置一对P型和N型Bi₂Te₃热电晶块，相邻导电铜片3上不同类型的热电晶块用导电铜片3连接从而实现热电偶之间相互串联；所述导电铜片3与Bi₂Te₃晶块间使用导电银浆连接，所述导电铜片3和导电银浆分别采用纯铜与烧结型银浆；不仅起到导电的作用，同时减小Bi₂Te₃晶块与冷、热端之间的热阻，使热电晶体4两端温度更加接近其冷热端温度，从而增加热电晶体4两端温差。将热电晶体4全部串联好后，将导线焊在与热电晶块4相连的铜片上引出该温差发电单元的正、负电极并与双输入DC-DC变换器11相连；双输入DC-DC变换器11的输出端连接负载或蓄电池12。

下微热管板2b的下表面为温差发电单元冷端，并通过导热膏粘连散热单元，散热单元包括流水箱6及其内部内平行设置多块翅片板7(如图3)，且每一列的翅片板7之间排列成“W型”；并在W型翅片板7相对方向分别设置进水口5与出水口8。在本实施例中，导热膏可以采用导热胶。

如图2，在上微热管板2a和下微热管板2b的内部平行设置多个微通道21，且每个微通道21之间相互连通；微通道21的上、下表面上均匀设置为齿状，向微通道21内凹的为微翅结构23，向微通道21外凸的为微槽24；通过分布在每个微小热管的内部的微翅结构23和微槽24，不仅加速了热量在微热管板内部的传递，同时大大增加了热管壁22与液态工质的接触面积，起到了加强液态工质的吸热和放热作用。微通道21内填充有液体工质，液体工质可选用水、甲醇或酒精等；并在液体工质中添加有Al₂O₃、TiO₂或CuO等纳米颗粒，用于提升了液体工质中的导热系数。微通道21的尺寸为6mm×4mm，其中齿宽与齿高均为1mm；由于微通道21极其细小，同时液态工质在相变的过程中有极其严格的饱和压力，在饱和压力与细小微通道21的共同作用下，液态工质的传热速度极快，忽略相变时间，则细小微热管可以看成均温管，微热管板2a与2b便具有均温特性。将具有均温特性的微热管板2a与2b应用在温差发电单元冷热两端，保证了温差发电片冷、热两端温度均匀分布，从而减少因受热不均而引起的转换效率降低、设备损坏。

如图4，联合发电装置配有热开关装置9，所述热开关装置9对温差发电单元输出电线通断进行控制。热开关装置9是由支撑架91、传送带93、主动齿轮95、从动齿轮92、啮合齿轮组96、电机97、开关控制器10构成；支撑架91由2块平行放置，在2块支撑架91之间装有主动齿轮95和从动齿轮92，主动齿轮95和从动齿轮92之间通过传送带93连接，在传送带93上装有开关板94；主动齿轮95通过啮合齿轮组96与电机97动力输出端连接；开关板94与导电铜片3一端的导线开关相连；通过开关控制器10控制电机97正转或反转，带动开关板94向上或者向下运动，进而带动导电铜片3一端的导线的通断，实现热开关的闭合与断开，既实现了能量的梯级利用，又提升了装置的环境适应性，从而使其输出的电能相对稳定。

为了更清楚的解释本发明所保护的技术方案，以下结合本发明的工作过程作进一步解释：

在本发明所设计的光伏温差联合发电装置工作过程中，装置表面的光伏电池板1在阳光照射下通过光生伏特效应产生电能，由于其光电转化效率仅为20％～30％，因此能量均转化为热量散失在环境中以及积聚在光伏电池板1上使其温度不断升高。温度升高的光伏电池板1将热量传递给其底部用导热膏粘接的上微热管板2a，上微热管板2a内每一个独立的微热管内的液态工质在蒸发端(即温差发电单元热端)受热，受热后的工质逐渐汽化成高温气体在微热管内部通道内流动，在冷凝端(即温差发电单元冷端)遇冷逐渐液化成液体，液化后的工质受重力和毛细力的共同作用下，逐渐流回蒸发端，从而完成微热管内部一次吸热与放热的完整循环。如此循环往复，内部液态工质通过多次的汽化和液化，不断地吸热、放热，保证了微热管内部的热量不断地传递，最终使微热管板2a成为均温体。进而，微热管板2a将自身热量通过导热硅胶、导电铜片3与烧结银浆传递到热电晶体4的热端。同时，热电晶体4冷端通过烧结银浆、导电铜片3与导热硅胶与微热管板2b连接在一起，而微热管板2b通过焊接与流水箱6顶部的W型的翅片板7连接。当温差发电单元工作时，电机将冷水从流水箱6进水口5抽入、出水口8流出，通过翅片板7上的一系列短程流道实现热量的充分交换，将翅片板7热量经由冷水带走，降低了翅片板7与微热管板2b的温度。因此，热电晶体4两端温差得以增加，由于热电晶体4为P型、N型Bi₂Te₃晶块组成的多对热电偶，每对热电偶为两种不同类型Bi₂Te₃晶块经由导电铜片3相连接构成一个P-N结，P型Bi₂Te₃晶块中有丰富的空穴，N型Bi₂Te₃晶块中含有丰富的电子。当对P-N结的一端加热，另一端降温则形成回路电流。同时，由于微热管板2a与2b具有均温性，热电晶体4冷、热端温度得以保持均匀一致，有效避免了温差电池因受热不均导致的设备损坏与效率降低等问题。考虑到整体装置的能量效益，本发明利用热开关装置9根据周围环境条件对温差电池进行选择性使用。当光伏电池刚开始工作(太阳光刚开始照射)，或是处于雨季的部分地区，光伏电池板1面的温度与环境温度并无太大区别时，光伏电池板1温度较低并不需要降温，这种条件下工作的温差电池输出的电能质量与自身寿命都会降低。热开关装置9通过开关控制器10完成装置中热开关的闭合与断开，不仅实现能量的梯级利用而且提升了装置的环境适应性。如图5，当光伏电池板1温度T_pv大于预设值T_on时，热开关闭合，温差发电单元与散热单元工作；当光伏电池板1温度T_pv小于预设值T_off时，热开关断开，温差发电单元与散热单元停止工作。不同情况下，两种模式的切换不仅可以提升装置的发电效率，也可使其输出的电能相对稳定。同时光伏电池与温差电池在对负载或蓄电池12供电前均与双输入DC-DC变换器11相连，实现了对电路的调控作用。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，其特征在于，包括微热管板，在微热管板内部设置多组微通道(21)；所述微热管板上、下两侧的外壁面分别为温差发电单元热端和温差发电单元冷端；温差发电单元热端和温差发电单元冷端分别与光伏电池板1和散热单元粘连；所述微热管板上、下两侧的内壁面之间通过温差发电单元相连；所述光伏电池板(1)、温差发电单元分别连接双输入DC-DC变换器(11)，对光伏温差产生的电能进行收储。

2.根据权利要求1所述的一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，其特征在于，所述温差发电单元包括热电晶体(4)、导电铜片(3)、正电极、负电极及输出电极组成；所述导电铜片(3)粘连在微热管板上、下两侧的内壁面上；上、下两侧上的导电铜片(3)之间相对设置，且通过热电晶体(4)连接上、下两侧的导电铜片(3)，实现热电偶之间相互串联。

3.根据权利要求2所述的一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，其特征在于，所述热电晶体(4)是由P型、N型Bi₂Te₃晶块组成的多对热电偶，在每个导电铜片(3)上放置一对P型和N型Bi₂Te₃热电晶块，相邻导电铜片(3)上不同类型的热电晶块用导电铜片(3)连接从而实现热电偶之间相互串联；所述导电铜片(3)与Bi₂Te₃晶块间使用导电银浆连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，其特征在于，每个微通道(21)之间等间隔分布；所述微通道(21)内填充有液体工质，液体工质选用水、甲醇或酒精，并在液体工质中添加有Al₂O₃、TiO₂或CuO等纳米颗粒，用于提升液体工质中的导热系数。

5.根据权利要求4所述的一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，其特征在于，所述微通道(21)的上、下表面上均匀设置为齿状，向微通道(21)内凹的为微翅结构(23)，向微通道(21)外凸的为微槽(24)。

6.根据权利要求5所述的一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，其特征在于，所述微热管板的壁面上采用导热膏分别与导电铜片(3)、光伏电池板(1)和散热单元粘连。

7.根据权利要求6所述的一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，其特征在于，所述散热单元包括流水箱(6)，流水箱(6)内平行设置多块翅片板(7)，所述翅片板(7)之间排列成“W型”；并在W型翅片板(7)相对方向分别设置进水口(5)与出水口(8)。

8.根据权利要求7所述的一种基于微热管板及W型翅片的光伏温差联合发电装置，其特征在于，联合发电装置配有热开关装置(9)，所述热开关装置(9)对温差发电单元输出电线通断进行控制。