一种菲涅尔式聚光光伏光热组件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种菲涅尔式聚光光伏光热组件。包括菲涅尔透镜、铝制光漏斗、二次光学棱镜、光伏电池模块和槽道式水冷换热器；槽道式水冷换热器为槽道式短管状，一侧短管的外部沿轴向直接连接有散热平台；铝制光漏斗为空心的四棱台，其下端连接着二次光学棱的下端；二次光学棱镜为四棱台，其下端连接着光伏电池模块的顶面上的光伏电池，光伏电池模块的底面通过导热硅胶连接着槽道式水冷换热器的散热平台。太阳光经菲涅尔透镜聚集，经铝制光漏斗、二次光学棱镜，均匀地投射在光伏电池上，实现光电转换；光伏电池模块下方设有槽道式水冷换热器，可以有效降低光伏电池的温度，提高光电转换效率，同时利用水将热量带走，收集到额外的热能。
【专利说明】一种菲淫尔式聚光光伏光热组件
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能光伏光热综合利用【技术领域】，具体涉及一种菲涅尔式聚光光伏光热组件。
【背景技术】
[0002]太阳能作为传统能源的重要替代物之一，因其可再生和无污染的特点已经受到了极大的重视，其中太阳能光伏利用和光热利用是太阳能利用的两个重要方面。在太阳能光伏利用中，提高太阳能光伏发电效率的有效途径之一是提高光伏电池接收到的光照强度，即采用聚光方式。太阳能聚光方式有很多，目前比较成熟的有槽式聚光器，碟式聚光器，复合抛物面聚光器和菲涅尔式聚光器等。这些聚光器可以使焦点或焦平面处得到数倍到数千倍太阳的辐照强度，同时也会在焦点或焦平面处产生高热流密度的热量。光伏电池吸收太阳辐照后电池温度会迅速升高，从而会导致光电转换效率下降。长期处于较高工作温度的状态下还会加速光伏电池的老化，甚至造成光伏电池的永久性损坏。因此在太阳能光伏利用中，特别是太阳能高倍聚光光伏利用中，对光伏电池的良好冷却是保证太阳能光电转换效率的关键性措施。
[0003]菲涅尔式聚光器利用菲涅尔透镜光学元件将太阳光汇聚到面积很小的电池上，以此方式来减小焦斑处的电池面积，同时以相同的比例来增加电池上的光强。为了对光伏电池进行良好的冷却，通常在电池背面粘贴或焊接散热器件来带走热量。在菲涅尔式聚光光伏接收器中，常用的换热冷却装置多由铜或铝作为换热材料，做成外部直肋式的散热器件，与光伏模块相接触，通过空气的对流作用来带走热量，实现冷却目的。这种结构的散热器虽然能够起到一定的换热冷却效果，但受环境因素影响较大，在炎热的天气条件下很难有效降低电池的温度，并且很难达到瞬间冷却的换热效果。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种菲涅尔式聚光光伏光热组件，可以保证太阳能光伏电池高效工作，并同时收集额外的热能。
[0005]一种菲涅尔式聚光光伏光热组件包括菲涅尔透镜1、铝制光漏斗2、二次光学棱镜3、光伏电池模块4和槽道式水冷换热器6，所述槽道式水冷换热器6为槽道式短管状，一侧短管的外部沿轴向直接连接有散热平台；所述槽道式水冷换热器6的短管内均布设有沿轴向的槽道10，相邻槽道10之间为凸起的直肋11，槽道式水冷换热器6的进水口 7和出水口8均为螺纹管；所述铝制光漏斗2为空心的上大下小的四棱台，其上端与菲涅尔透镜I的底面保持一定距离，其下端连接着二次光学棱镜3的下端；所述二次光学棱镜3为上大下小的四棱台，其下端连接着光伏电池模块4的顶面上的光伏电池12，光伏电池模块4的底面通过导热硅胶5连接着槽道式水冷换热器6的散热平台；所述凸起的直肋11的宽度不超过槽道10的宽度的1/3，直肋11的高度不超过所述管道内径的1/6。
[0006]所述菲涅尔透镜I的底面和铝制光漏斗2下端之间的距离为菲涅尔透镜I的焦距，所述铝制光漏斗2的高度不超过菲涅尔透镜I焦距的1/5。
[0007]本发明的有益技术效果体现在以下方面:
(1)本发明的菲涅尔式聚光光伏光热组件可以实现太阳能的综合利用，在保证发电效率的同时收集额外的热能，大大提高太阳能的利用效率。针对本发明的菲涅尔式聚光光伏光热组件进行实测发现，当以砷化镓三结电池作为光伏电池，以水作为冷却介质时，可以在保证发电效率维持不变甚至提高的同时，实现太阳能光热转换效率达到45% ；
(2)本发明的菲涅尔式聚光光伏光热组件采用槽道式结构设计，其中槽道式水冷换热器6的短管内沿轴向直肋11的宽度不超过槽道10的宽度的1/3，直肋11的高度不超过管道内径的1/6，这样的结构设计既保证了冷却水的均匀流动，又保证了不会过分增加流动阻力。直肋11增加了冷却水与换热器的接触面积，同时对冷却水造成了扰动，提高了对流换热系数。实测表明，针对本发明的菲涅尔式聚光光伏光热组件，当短管内径为26.4mm，直肋11宽度为2mm，高度为4.2mm，槽道10宽度为8.4mm时，冷却水流量在0.02?0.12kg/s的范围内变化的情况下，与相同内径的光滑短管相比单个组件流道阻力几乎无增加，而管道总换热系数提高了 2倍左右；这表明流量增加，流动阻力并无明显增大，管道总换热系数和流量无关，管道总换热系数是通过管道结构计算所得；
(3)本发明的菲涅尔式聚光光伏光热组件可以实现各接收器之间电路与水路的独立连接，方便安装与组件设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明各部件分离的结构示意图。
[0009]图2为光伏电池与二次光学棱镜的局部示意图。
[0010]图3为槽道式水冷换热器的局部示意图及1/4剖视图。
[0011]上图中序号:菲涅尔透镜1、铝制光漏斗2、二次光学棱镜3、光伏电池模块4、导热硅胶5、槽道式水冷换热器6、进水口 7、出水口 8、内螺纹接口 9、槽道10、直肋11、光伏电池12。
【具体实施方式】
[0012]为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
[0013]参见图1，一种菲涅尔式聚光光伏光热组件包括菲涅尔透镜1，铝制光漏斗2，二次光学棱镜3，光伏电池模块4和槽道式水冷换热器6，其中槽道式水冷换热器6为槽道式短管状，槽道式短管的一端为内螺纹接口 9，槽道式短管的一侧外部沿轴向直接成型有方形散热平台。铝制光漏斗2为空心的上大下小的四棱台，其上端与菲涅尔透镜I的底面保持一定距离，其下端连接着二次光学棱3的下端。菲涅尔透镜I的底面和铝制光漏斗2下端之间的距离为菲涅尔透镜I的焦距，铝制光漏斗2的高度不超过菲涅尔透镜I焦距的1/5。本实施例中菲涅尔透镜I的焦距为0.64m，对应所采用的铝制光漏斗高度为0.lm。参见图3，槽道式水冷换热器6的短管内均布设有沿轴向的槽道10，相邻槽道10之间为凸起的直肋11，凸起的直肋11的宽度不超过槽道10的宽度的1/3，直肋11的高度不超过短管内径的1/6。槽道式水冷换热器6的进水口 7和出水口 8均为螺纹管。其中进水口 7连接进水管，出水口 8连接出水管。参见图2，二次光学棱镜3为上大下小的四棱台，其下端连接着光伏电池模块4的顶面上的光伏电池；二次光学棱镜3的下端面的形状、大小与光伏电池12的形状、大小相同，光伏电池12通过金线焊接在电池基板上，共同构成光伏电池模块4。光伏电池模块4的底面通过导热硅胶5连接着槽道式水冷换热器6的散热平台。
[0014]本实施例中槽道式水冷换热器6的短管内径为26.4mm，直肋11宽度为2mm，高度为4.2mm,槽道10宽度为8.4mm时，冷却水流量在0.02?0.12kg/s的范围内变化的情况下，与相同内径的光滑短管相比单个组件流道阻力几乎无增加，而管道总换热系数提高了 2.2倍；当直射的太阳光经菲涅尔透镜I折射后，进入铝制光漏斗2并被反射，再经由二次光学棱镜3折射，均匀地投射在光伏电池12上，进而将光能转换成电能。光伏电池模块4下方的槽道式水冷换热器6，可以有效降低光伏电池的温度，提高光电转换效率，同时利用水将热量带走，收集到额外的热能。
[0015]本发明的槽道式水冷换热器6的短管轴向两端的进水口 7和出水口 8可直接通过标准零件连接管道，且多个接收器之间可以根据需要实现串并联自由连接，并保证了电路与水路连接的独立性。冷却水从槽道式水冷换热器6的进水口 7进入，从出水口 8流出，冷却水不会停滞于局部，能将局部热量瞬间带走，实现迅速降温。若出现故障，例如冷却水循环突然中断的情况下，本发明的换热器中仍能存储一定容量的冷却水，从而有效保护光伏电池，为排除故障争取时间。
【权利要求】
1.一种菲涅尔式聚光光伏光热组件，包括菲涅尔透镜(I)、铝制光漏斗(2)、二次光学棱镜(3 )、光伏电池模块(4 )和槽道式水冷换热器(6 )，所述槽道式水冷换热器(6 )为槽道式短管状，槽道式短管的一侧外部沿轴向直接连接有散热平台；所述槽道式水冷换热器(6)的短管内均布设有沿轴向的槽道(10)，相邻槽道(10)之间为凸起的直肋(11 )，槽道式水冷换热器(6)的进水口(7)和出水口(8)均为螺纹管；所述铝制光漏斗(2)为空心的上大下小的四棱台，其上端与菲涅尔透镜(I)的底面保持有距离，其下端连接着二次光学棱镜(3)的下端；所述二次光学棱镜(3)为上大下小的四棱台，其下端连接着光伏电池模块(4)的顶面上的光伏电池(12 )，光伏电池模块(4)的底面通过导热硅胶(5 )连接着槽道式水冷换热器(6)的散热平台。
2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔式聚光光伏光热组件，其特征在于:二次光学棱镜(3)的下端面的形状、大小与光伏电池(12)的形状、大小相同。
3.根据权利要求1和2所述的一种菲涅尔式聚光光伏光热组件，其特征在于:所述凸起的直肋(11)的宽度不超过槽道(10)的宽度的1/3，直肋(11)的高度不超过所述管道内径的1/6。
4.根据权利要求1和2所述的一种菲涅尔式聚光光伏光热组件，其特征在于:所述菲涅尔透镜(I)的底面和铝制光漏斗(2 )下端之间的距离为菲涅尔透镜(I)的焦距，所述铝制光漏斗(2)的高度不超过菲涅尔透镜(I)焦距的1/5。
【文档编号】H02S40/44GK104320074SQ201410586434
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】季杰, 徐宁, 孙炜, 韩利生, 陈海飞, 金祝岭 申请人:中国科学技术大学