CN202405295U - 主动式冷却太阳能光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种主动式冷却太阳能光伏发电系统，包括：光伏发电组件，所述光伏发电组件包括光伏电池组件和设置在光伏电池组件背面的集热换热装置，至少一个水箱，以及连接所述集热换热装置和所述水箱的连接管路，其中，热交换介质在由所述集热换热装置、所述水箱和所述连接管路构成的流路中流动，以实现在光伏发电组件和水箱之间的热量转移。本实用新型的光伏发电系统能够满足对太阳能光伏电池组件持续冷却降温的要求，从而提高光伏发电效率。

Description

主动式冷却太阳能光伏发电系统

技术领域

本实用新型涉及主动式冷却太阳能光伏发电系统，尤其涉及对太阳能光伏电池组件降温的系统。

背景技术

在太阳辐照度一定的条件下，太阳能光伏电池板的输出功率与电池板温度相关。一般情况下，20-25摄氏度可获得最大功率输出，随着温度的上升，功率输出逐渐下降，当温度极端高时，下降极其剧烈，甚至导致电池板损坏。长期高温还可能影响电池板寿命。

为了降低太阳能电池板温度，目前主要有两种冷却方案，即主动冷却和被动冷却。公知的被动冷却方法为通过保证背面的良好通风，实现自然散热。例如，专利申请200820161365.2通过增加鳍式散热片，以增加散热面积，增强散热能力。专利申请200810088497.1中，通过带有突起的表面，增加散热面积。主动散热技术是通过附加的散热系统，实现快速散热。例如专利申请200920180483.2中，在光伏电池板的背板上安装导热板、散热管及水管，通过循环水散热。在专利申请200920350139.3中，在背板上安装热管、换热器，并通过液体循环散热。

被动散热的最大缺陷是电池板温度不会低于环境温度，且太阳辐照度和环境温度较高时，散热效果较差。上述主动散热方案中，均没有提及热交换介质如水将光伏电池板的热量带出因而温度升高后，如何进行冷却处理和回收利用，以用于对光伏电池组件进行持续降温。而对于环境温度较高且缺水地区，如何对温度升高的热交换介质进行快速冷却和重复利用是急需解决的现实问题。例如中东地区，日照充分，太阳能资源丰富，具有利用太阳能发电的有利条件；但是，另一方面，该地区环境温度可达50摄氏度，且严重缺乏淡水资源。在此条件下，现有的被动散热技术和主动散热技术远远不能满足太阳能光伏电池组件的散热要求，因此，对太阳能发电技术的推广应用造成障碍。

实用新型内容

本实用新型致力于解决上述现有技术中的至少一个问题，提出一种主动式冷却太阳能光伏发电系统，其能够满足对太阳能光伏电池组件持续冷却降温的要求，从而延长光伏电池组件寿命，提高光伏发电效率。

根据本实用新型，提出一种主动式冷却太阳能光伏发电系统，包括：光伏发电组件，所述光伏发电组件包括光伏电池组件和设置在光伏电池组件背面的集热换热装置；至少一个水箱，以及连接所述集热换热装置和所述水箱的连接管路，其中，热交换介质在由所述集热换热装置、所述水箱和所述连接管路构成的流路中流动，以实现在光伏发电组件和水箱之间的热量转移。

根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统，所述集热换热装置、所述至少一个水箱中的每一个和所述连接管路构成闭合回路，热交换介质能够在所述闭合回路中循环流动。

根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统，包括两个所述水箱，一个用于向集热换热装置供给热交换介质，另一个用于接受流出集热换热装置的热交换介质。

根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统，所述水箱中安装有热管装置，用于对水箱降温。

根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统，还包括安装在所述连接管路中的循环泵，用于驱动热交换介质流动。

根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统，还包括安装在所述连接管路中的阀装置。

根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统，还包括用于控制所述循环泵和所述阀装置的操作的控制装置。

根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统，其中，所述水箱的热交换介质的流出口设置在比所述水箱的热交换介质的流入口低的位置，热交换介质从所述流出口流向所述集热换热装置，经所述集热换热装置后从所述流入口流入所述水箱。

根据本实用新型，由于水箱持续对完成与光伏电池组件热交换的热交换介质进行降温，因此，能够重复利用热交换介质对光伏电池组件进行持续降温，从而提高光伏发电效率。

另外，利用热管可实现对完成热交换后的水箱中的热交换介质进行快速降温，因此提高热交换介质循环利用的效率。

为了使本实用新型的目的、特征及优点能更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统的配置的示意图。

图2A和2B是根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统中的光伏发电组件的例子的图示。

图3是根据本实用新型的另一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统的配置的示意图。

具体实施方式

以下仅通过例子说明本实用新型的具体实施方式，具体实施例并非用于限制本实用新型。本实用新型亦可通过其它不同的方式加以施行或应用，本说明书中的各项细节可在不背离本实用新型的总体构思的情况下进行各种调整与变更。再者，附图仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，故图示不一定按比例绘制，并且图示中仅显示与本实用新型有关的部件，但显然本实用新型可根据实际应用包括其它的部件。在各视图中，相同的附图标记表示相同或类似的部件。

图1是根据本实用新型的一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统的配置的示意图。如图1所示的主动式冷却太阳能光伏发电系统包括光伏发电组件1、水箱2和连接光伏发电组件1和水箱2的连接管路3。其中，光伏发电组件1包括光伏电池组件4和设置在光伏电池组件4背面的集热换热装置5(参见图2A，2B)，连接管路3连接在光伏发电组件1的集热换热装置5和水箱2之间。热交换介质在由光伏发电组件1的集热换热装置5、水箱2和连接管路3构成的流路中流动，以实现在光伏发电组件1和水箱2之间的热量转移。

另外，如图1所示，水箱2包括热交换介质流入口21和热交换介质流出口22。并且，如图所示，热交换介质流出口22设置在比热交换介质流入口21低的位置。其中，热交换介质从所述流出口22经连接管路3流向光伏发电组件1的集热换热装置5，经过集热换热装置5后又经连接管路3从流入口21流入水箱2。这样，水箱2中储存的冷水从水箱2的下部流出，与光伏电池组件热交换后变热的热水从水箱2的上部流入，通过水温密度差自然分层，能够减少水箱2内的冷热水混合速度，保证供给光伏发电组件1的致冷介质持续处于低温状态，从而能够有效地降低光伏电池组件的温度，保证光伏电池组件正常发电。

并且，如图1所示，在水箱2中安装有热管装置6，用于对水箱2快速降温。已知热管是一种在封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件，其热交换效率是普通金属散热器的十倍以上。同时热管具有单向传热性能，可实现仅散热，不“散冷”。通过在水箱2中设置热管装置，能够利用热管的高效传热性能，快速降低水箱中的热交换介质如水的温度。特别是对于环境温度高的地区，如中东地区，由于环境温度高，不利于水箱的自然散热，采用热管极大地提高了水箱的散热速度，保证了对光伏电池组件持续降温。

如图2A和2B所示，光伏发电组件1包括例如光伏电池板的光伏电池组件4和设置在光伏电池组件4背面的集热换热装置5。集热换热装置5可为通常的用于从光伏电池组件收集热量并导出热量的装置。集热换热装置5具有热交换介质流入管51和流出管52，如图1所示的连接管路3分别连接在集热换热装置5的流入管51和流出管52与水箱2之间，以构成供热交换介质循环流动的通路。

图2A和2B分别示出了两种形式的集热换热装置5。如图2A所示，集热换热装置5包括平板形状的散热器50，散热器50包括热交换介质流入管51和流出管52。散热器50紧贴在光伏电池板形式的光伏电池组件4的背面，通过热传导从光伏电池组件4的背面收集热量，并通过热交换介质如水的流动将光伏电池组件4的热量带走，以保证光伏电池组件4持续高效发电。如图2B所示，集热换热装置5包括安装在光伏电池板形式的光伏电池组件4背面的热管53和换热器54，热管53紧贴光伏电池组件4的背面，换热器54安装在热管53的外侧，并包括热交换介质流入管51和流出管52。根据该实施例，利用热管的高效传热性能能够加速从光伏电池组件4的背面导出热量，有利于快速降低光伏电池板的温度，提高光伏发电效率。

另外，如图1所示，主动式冷却太阳能光伏发电系统还可包括安装在连接管路3中的循环泵7，用于驱动热交换介质如水在由光伏发电组件1的集热换热装置5、水箱2和连接管路3构成的闭合回路中循环流动。

另外，虽然未示出，图1所示的主动式冷却太阳能光伏发电系统还可包括安装在连接管路3中的用于允许或阻止热交换介质流动的阀装置、用于控制循环泵7和阀装置的操作的控制系统、用于检测光伏电池板或水箱的温度的温度检测器等。

以下通过例子说明如图1所示的主动式冷却太阳能光伏发电系统的工作过程。

早晨太阳升起时，水箱2中储存着与前一天夜晚最低温度相同的例如18摄氏度冷水。控制系统控制温度检测器检测电池板温度，当电池板温度上升，例如超过45摄氏度时，控制系统开启循环泵7，循环泵7工作，使水箱2内18摄氏度的冷水经由流出口22通过连接管路3流向光伏发电组件1的集热换热装置，通过热交换为光伏发电组件1的光伏电池组件如电池板降温。流过光伏发电组件1的冷水的温度上升，经流入口21注入水箱B中。通常，水箱中储存着供整个白天使用的对光伏电池组件降温所需的水量。当一天运行结束后，水箱2中的水的温度提升到约40～45度。

夜间，利用热管装置6的高效传热性能，将热能向环境中释放。经过一夜的散热，水箱2内的水温降至18度，第二天继续用于为光伏电池组件降温。水箱2可以建设在地下，以减少太阳及环境对其加热。

如上所述，根据本实用新型的主动式冷却太阳能光伏发电系统，可以有效利用夜间冷能，在白天为光伏电池组件散热，并且能够循环利用水资源。该方案成本低，额外能耗小，是可针对任何环境特点均可行的方案，特别适用于沙漠高温缺水地区。

图3示出了根据本实用新型的另一个实施例的主动式冷却太阳能光伏发电系统的配置的示意图。图3的实施例与图1的实施例的主要不同在于，其包括两个水箱2。其它方面与图1的实施例大致相同。以下仅说明图3与图1不同的方面。

如图3所示的主动式冷却太阳能光伏发电系统包括光伏发电组件1、第一水箱2和连接光伏发电组件1和水箱2的连接管路3，这部分线路与图1相同，可构成供热交换介质循环流动的第一流路。除此之外，如图3所示的主动式冷却太阳能光伏发电系统还包括第二水箱2’以及在第二水箱2’与光伏发电组件1的集热换热装置5之间的连接管路3’。即，光伏发电组件1的集热换热装置5、第二水箱2’和连接管路3’可以构成供热交换介质循环流动的第二流路。水箱2和2’中分别安装有热管装置6和6’。

此外，如图3所示，在连接管路3和3’中可分别设置阀8a、8b、8c、8d。与第一实施例相同，主动式冷却太阳能光伏发电系统还可包括循环泵7、温度检测器(未显示)以及控制循环泵、阀和温度检测器等的操作的控制系统。从而，通过对各个阀的控制，第一流路和第二流路可独立工作，或协作工作。

在具有两个水箱的主动式冷却太阳能光伏发电系统中，一个特别有利的实施方式是，一个水箱2用于向光伏发电组件1的集热换热装置供给热交换介质，另一个水箱2’用于接受流出集热换热装置的热交换介质。这样，从光伏发电组件1的集热换热装置流出的温度升高的热交换介质如水可以不必流回水箱2，而是流到水箱2’中。从而，水箱2专门用于供给冷的热交换介质，用于对光伏电池组件降温，因此，能够更有效地降低光伏电池组件的温度。通常，水箱储存着可供整个白天使用的水量。这样，第一天水箱2可以用于供给冷水，水箱2’则用于接收温度升高的热水；第二天则反向使用水箱2和2’。

以下通过例子具体说明如图3所示的主动式冷却太阳能光伏发电系统的工作过程。

早晨太阳升起时，水箱2中储存着与前一天夜晚最低温度相同的例如18摄氏度冷水，水箱2’内空着。控制系统开始检测光伏电池组件的温度，当温度上升，超过45摄氏度时，控制系统开启阀8a、8d，并关闭阀8b、8c，同时开启循环水泵7。

水箱内18度冷水经过光伏发电组件1的集热换热装置，为光伏电池组件降温。水温提升后，注入水箱2’中。当一天运行结束后，水箱2的水全部注入水箱2’中，水箱2’中的水的温度提升到约40～45度。

夜间，利用热管装置的高效传热性能，将水箱2’中储存的热能向环境中释放。经过一夜的散热，水箱2’内的水温降至18度，第二天反向循环，由水箱2’供给冷水，经与光伏发电组件1的集热换热装置热交换后，温度升高的水注入水箱2中。如此循环使用水箱2和2’。

为了提高水箱2’在夜间的散热效率，在夜间，可以开启阀8b、8d，关闭阀8a、8c，并开启循环泵7，从而，利用光伏电池组件如光伏电池板较大的散热面积以及辐射散热效果，提升水箱2’在夜间的散热效率。该方案通过强制循环散热，降低水箱2’内的水温，可增强白天为光伏电池组件降温效果，并减少冷却水的用水量。

以下是针对特定光伏电池组件的一些具体实施方案的例子：

晶硅组件：

每1MW光伏电站，需要光伏电池组件4500块(941×1650)，在沙漠地区年发电量约2,190,000KWh。(按峰值日照6小时计算)

总辐照：151GJ

为降温，需要带走15％热量：23GJ

需要274立方水，20摄氏度温差。

考虑沿程均可散热，实际仅需要250立方左右。即长宽各10米，深2.5米的水池。

光伏电池组件降温20摄氏度，可提升发电量9％，即197,100KWh。

需要配套水泵5个，每个1KW，即5KW，每日工作8小时，年消耗电能：14,600KWh。

每年可多发电约：182,500KWh

薄膜组件：

每1MW光伏电站，需要光伏电池组件8000块(1/4尺寸组件)，在沙漠地区年发电量约2,190,000KWh。占地约40亩。(按峰值日照6小时计算)

总辐照：247GJ

为降温，需要带走15％热量：37GJ

需要440立方水，20摄氏度温差。

考虑沿程均可散热，实际仅需要400立方左右。即长宽各10米，深4米的水池。

光伏电池组件降温20摄氏度，可提升发电量5.6％，即122,640KWh。需要配套水泵8个，每个1KW，即8KW，每日工作8小时，年消耗

电能：23,360KWh。

每年可多发电约：100,000KWh

本实用新型的太阳能发电系统具有以下优点：

(1)该方案在任何环境下均可行，特别适用于缺水高温的沙漠地区，如中东。而这些地区往往是太阳能资源最丰富的。

(2)成本低，增加成本不超过光伏电站造价的10％，通过降温，实现光伏电池多发的电量远大于泵耗，系统运行后，投资可回收。

(3)效率高。该系统可在极端气候条件下，将光伏电池板温度控制在40-50度以内，较之其他散热方案，极大提升散热效率。

(4)循环系统即便失效，也可保证光伏电池板温度不高于传统背后自然通风情况，不会对电池板造成额外伤害。

应当理解，虽然已经参照实施例和附图描述了本实用新型，但实施例和附图并非用于限制本实用新型。在不偏离本实用新型的实质的情况下，对本实用新型所作的任何变形都在本实用新型的范围内。例如，水箱的数量不限于两个。水箱可以为水池等形式。热管可以根据散热的要求设置或不设置，并可设置为各种已知的形状。可根据需要设置不同数量的水箱。阀装置、循环泵等也可以根据需要设置安装位置和数量。

Claims (8)

1.一种主动式冷却太阳能光伏发电系统，其特征在于，包括：

光伏发电组件，所述光伏发电组件包括光伏电池组件和设置在光伏电池组件背面的集热换热装置，

至少一个水箱，以及

连接所述集热换热装置和所述水箱的连接管路，

其中，热交换介质在由所述集热换热装置、所述水箱和所述连接管路构成的流路中流动，以实现在光伏发电组件和水箱之间的热量转移。

2.根据权利要求1所述的主动式冷却太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述集热换热装置、所述至少一个水箱中的每一个和所述连接管路构成闭合回路，热交换介质能够在所述闭合回路中循环流动。

3.根据权利要求1所述的主动式冷却太阳能光伏发电系统，其特征在于，包括两个所述水箱，一个用于向集热换热装置供给热交换介质，另一个用于接受流出集热换热装置的热交换介质。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的主动式冷却太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述水箱中安装有热管装置，用于对水箱降温。

5.根据权利要求4所述的主动式冷却太阳能光伏发电系统，其特征在于，还包括安装在所述连接管路中的循环泵，用于驱动热交换介质流动。

6.根据权利要求5所述的主动式冷却太阳能光伏发电系统，其特征在于，还包括安装在所述连接管路中的阀装置。

7.根据权利要求6所述的主动式冷却太阳能光伏发电系统，其特征在于，还包括用于控制所述循环泵和所述阀装置的操作的控制装置。

8.根据权利要求1所述的主动式冷却太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述水箱的热交换介质的流出口设置在比所述水箱的热交换介质的流入口低的位置，热交换介质从所述流出口流向所述集热换热装置，经所述集热换热装置后从所述流入口流入所述水箱。

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