基于热管技术的cpc聚光光伏电热联产系统的制作方法
【专利摘要】本发明基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统，由聚光单元、联集管（8）和玻璃盖板（5）组成；其中聚光单元由CPC聚光器（1）、光伏电池板（2）、热界面材料（3）、异型热管（4）、保温材料（6）和底框（7）组成；其中所述CPC聚光器（1）出口处设置光伏电池板（2），光伏电池板（2）的受光面朝向CPC聚光器（1）的入口；异型热管（4）包括蒸发段和冷凝段，其蒸发段置于光伏电池板（2）背面且嵌入底框（7）的开口中；聚光单元并排紧密排列，每个聚光单元中异型热管的冷凝段插入联集管（8）的内套管（9）当中，玻璃盖板（5）覆盖在所有CPC聚光器（1）入口上方。本发明减少光伏电池的用量，控制电池板的均温性，高效采集产生的热能，以较低的成本提高太阳能利用的总效率。
【专利说明】基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热电联产系统，特别涉及一种基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统，属太阳能利用领域。
【背景技术】
[0002]太阳能作为一种清洁的可再生能源，受到越来越多的关注。其中，太阳能光伏发电技术，更是以其规模灵活、建设周期短和维护简单等优点，成为了人们开发太阳能资源的重要方式。然而，与常规能源相比，光伏发电的成本依然很高。因此，探索低成本光伏发电技术成为本领域的研究热点。特别是我国光伏产业受到国际因素影响而陷入困境的大背景下，如何实现光伏发电在国内的大规模应用也成为亟待解决的问题。聚光光伏技术可显著降低电池组件的用量，是降低发电成本的有效途径。
[0003]与其他聚光形式相比，CPC聚光具有先天的优势，其具有更大的入射角，在系统运行时可以固定安装或者只做季节性的角度调整，不需要跟踪系统，可以大大的减少系统的初期成本。
[0004]太阳电池在工作过程中，只有小部分的太阳辐射能被转化成了电能，其余大部分的能量被转化成了热能，并使其工作温度升高，特别是对于聚光光伏系统来说，由于聚光的作用使得其工作温度更高。而太阳电池的温度对其光电转换效率影响显著，随着温度的升高，效率急剧下降。因此，光伏发电系统特别是聚光光伏系统中，需要有效地控制电池温度以保证系统发电效率。为了有效解决这一问题，一般采用水或空气将光伏电池在工作过程中产生的热量直接带走。若将这部分热量加以利用，则实现了太阳能的电热联产。太阳能光伏电热联产系统既可以降低光伏电池工作温度，提高光伏电池的发电效率，又可以为用户提供一定量的热能，从而提高了太阳能总利用率。
[0005]在电池的各类冷却技术中，大部分方案涉及冷却流体的进出，因此无法回避电池组件在流体进口处温度较低出口处温度较高的情况，无法实现电池温度的均匀控制，同时需要消耗电能以提供强制对流的动力。而热管以其独特的均温性，用于电池冷却时，可以使得电池表面温度更加均匀，从而保证系统的光电转换效率，且不需要额外动力消耗，具有显著的优越性。
[0006]目前相关的技术方案屡见报导。如专利号为200920126098.X的实用新型专利，采用了热管冷却太阳能光伏电池从而实现电热联产，该方案需要对整个电池板进行散热，由于没有聚光装置，以及热管本身尺寸的受限与经济性的考虑，不易做到热管壁面完全覆盖电池板背面，因此无法实现均温控制；另一方面，由于没有聚光，因此其输出的热能品位也较低，缩小了该系统的应用范围。
[0007]另外，申请号为201010556512.8的发明专利，公开了一种应用于聚光光伏的热管散热系统，该散热系统适用于中高倍聚光系统的冷却，但是其目的只是为了控制电池板的温度，并未涉及所产生热能的回收利用，因此无法显著提高太阳能的总利用率。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就在于克服上述各类缺陷，设计一种基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统，减少光伏电池的用量，控制电池板的均温性，高效采集产生的热能，以较低的成本提高太阳能利用的总效率。
[0009]本发明技术方案为:基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统，由聚光单兀、联集管8以及玻璃盖板5组成；其中聚光单元由CPC聚光器1、光伏电池板2、热界面材料3、异型热管4、保温材料6、底框7组成；其中所述CPC聚光器I出口处设置光伏电池板2，光伏电池板2的受光面朝向CPC聚光器I的入口 ；异型热管4包括蒸发段和冷凝段，其蒸发段置于光伏电池板2背面且嵌入底框7的开口中，底框7中填充有保温材料6，蒸发段与光伏电池板2之间填充有热界面材料3 ;多个聚光单元并排紧密排列，每个聚光单元中异型热管的冷凝段插入联集管8的内套管9当中，玻璃盖板5覆盖在所有CPC聚光器I入口上方。
[0010]优选所述CPC聚光器I出口处的宽度和光伏电池板2的宽度相同；异型热管4蒸发段的横截面为半圆形、矩形或三角形结构，与光伏电池板2通过热界面材料3接触的一面为平面，且横截面宽度与光伏电池板2宽度相同；异型热管4冷凝段的横截面为圆形。优选所述底框7为一扁盒状壳体，在上壁面设置开口，开口长宽与异型热管4的蒸发段尺寸一致；在靠近联集管8的一端端面上开小口，小口的形状与异型热管4蒸发段横截面形状一致；所述保温材料6则置于底框7与异型热管4蒸发段壁面之间的空隙中。优选所述异型热管4为内壁光滑的重力热管、槽道热管或有芯热管；所述热界面材料3为导热硅脂、导热硅胶或相变导热材料，所述保温材料6为岩棉或聚氨酯泡沫。
[0011]所述每个底框7与其上方的CPC聚光器1、光伏电池板2、热界面材料3、异型热管
4、保温材料6等组成了一个聚光单元；多个聚光单元并排紧密排列，每根异型热管4的冷凝段置于联集管8的内套管9当中，紧密配合；所述玻璃盖板5覆盖于所有CPC聚光器I上方；一般10?20个聚光单兀组成一个电热联产系统,可供家庭使用；将多个O 2,根据水电用量的需要确定数量)电热联产系统通过串并联的方式组合起来，可形成一个大系统，用于住宅楼、公共建筑或工业企业的集中供电供热。
[0012]有益效果:
[0013]I)采用了 CPC聚光器提高到达光伏电池板的太阳辐射强度，提高单位面积光伏电池的电能输出，与平板式光伏系统相比，大幅缩减了光伏电池的用量，降低了系统成本；CPC聚光器有较大的入射角，无需设置跟踪装置，与其他聚光光伏技术相比，成本更低。
[0014]2)采用异型热管作为传热原件，将热量输出至冷却流体，由于热管内的相变传热特性，其蒸发段温度基本保持一致，使得光伏电池板的温度分布比其他系统更均匀，提高了光电转换效率；另一方面，由于采用了聚光技术，可以使用较小宽度的光伏电池板，因此可以实现热管截面宽度与光伏电池板宽度相同，进一步保证了对电池板冷却的可靠性。而其他类型热管散热，无法做到热管壁面完全覆盖电池板背面，因此无法实现均温控制。特别需要指出的是，本发明提出采用一面为平面结构的异型热管作为传热原件，与其他方案相比，保证了热管壁面与光伏电池板之间的热阻较小，从而保证系统的最终出水温度。
[0015]3)由于采用了聚光技术，使得光伏电池板上产生热量的热流密度更高，因此采用热管进行散热更为经济，从这一点来说，不聚光的方案采用热管进行散热经济性较差。另夕卜，采用热管进行传热无需消耗额外动力，节约了一定的能源消耗。[0016]4)采用模块化设计，通过多组聚光单元的串并联可以实现各种规模的太阳能电热联产，既可以作为家用，也可以做集中供电供热，应用更加灵活。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1——本发明的结构原理示意图。
[0018]图2——本发明的聚光单元结构示意图。
[0019]图3——本发明的聚光单元剖视图。
[0020]其中:1-CPC聚光器，2-光伏电池板，3-热界面材料，4-异型热管，5-玻璃盖板，
6-保温材料，7-底框，8-联集管，9-内套管。
【具体实施方式】
[0021]实施例1:如图1、图2、图3所示，为本发明的一个具体实施例。基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统，由12个聚光单元、联集管8以及玻璃盖板5组成；其中聚光单元由CPC聚光器1、光伏电池板2、热界面材料3、异型热管4、保温材料6、底框7组成；所述光伏电池板2设置在CPC聚光器I的出口处,且受光面朝向CPC聚光器的入口 ；异型热管4包括蒸发段和冷凝段，其蒸发段置于光伏电池板2背面，二者之间填充有热界面材料3，冷凝段则插入联集管8的内套管9中；所述异型热管蒸发段底部置于底框7的开口中，底框7中填充有保温材料6。
[0022]CPC聚光器I出口处的宽度和光伏电池板2的宽度相同，本实施例中为12_，入口处的宽度为70mm ;CPC聚光器I长度与光伏电池板2、异型热管4蒸发段的长度一致，为IOOOmm ;本实施例异型热管4蒸发段的横截面为半圆形,与光伏电池板2通过热界面材料3接触的一面为平面，且横截面宽度与光伏电池板2宽度相同，即12mm ;异型热管4冷凝段的横截面为圆形，直径12mm，长度为80mm。底框7为一扁盒状壳体，在上壁面设置开口，开口长宽与异型热管4的蒸发段尺寸一致；在靠近联集管8的一端端面上开小口，小口的形状尺寸与异型热管4蒸发段横截面形状尺寸一致；所述保温材料6则置于底框7与异型热管4蒸发段壁面之间的空隙中。所述异型热管4为内壁光滑的重力热管，热界面材料3为导热硅脂，所述保温材料6为岩棉或聚氨酯泡沫。
[0023]每个底框7与其上方的CPC聚光器1、光伏电池板2、热界面材料3、异型热管4、保温材料6等组成了一个聚光单元，如图2所示；12聚光单元并排紧密排列，每根异型热管4的冷凝段置于联集管8的内套管9当中，紧密配合；所述玻璃盖板5覆盖于所有CPC聚光器I上方。
[0024]本实施例的基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统在工作时,太阳福射首先透过顶部的玻璃盖板5到达CPC聚光器I的内表面及光伏电池板2的上表面，经过CPC聚光器I反射后的光线最终也到达光伏电池板2的上表面，一部分太阳能经光伏效应直接产生电能，另外一部分则被光伏电池板2吸收并转换为热能，使其内能增加温度升高，最终热量通过光伏电池板2的导热传递到其背面，此时置于光伏电池板2背面的异型热管4的蒸发段壁面吸收热量，热量经壁面传递到热管内部的工质，工质吸收热量后蒸发，在压差的驱动下，蒸发段的蒸汽流向冷凝段，蒸汽在冷凝段将热量传递给冷凝段壁面，热量被外部的冷却水带走，蒸汽在冷凝段又重新凝结，在重力的作用下回到蒸发段，完成循环。异型热管4的冷凝段外壁面则将热量传递给联集管8中的内套管9，冷却流体水从联集管8中流过时，通过对流传热将内套管9壁面输出的热量带走，从而产生一定品位的热水。本实施例运行中可实现150?200W的电力输出；根据光伏电池板的温度控制需求，通过调节水流量最终可提供40?90°C的热水。
[0025]本实施例中，由于聚光技术的引入，使得光伏电池板2上接受的太阳辐射强度大幅提高，从而增加了单位面积光伏电池板的电能输出，节约了光伏电池板的用量，根据计算，若不聚光条件下输出相同电量，需要的光伏电池用量约为本实施例用量的5?6倍。另一方面，这种聚光方式使得每个聚光单元中光伏电池板2的结构都为宽度较小的长条形，这为热管的使用提供了便利，使得异型热管4的壁面可以完全覆盖光伏电池板2的背面，从而真正实现整个电池板的均温。而其他方案若要实现这一点，则必须在整块光伏电池板背面铺满热管，这对于工程应用来说，是不经济也是不现实的。
[0026]实施例2:本实施例和实施例1结构基本相同，但存在如下不同点:本实施例包含16个聚光单兀,其中CPC聚光器I出口处的宽度和光伏电池板2的宽度相同,本实施例中为14_，入口处的宽度为70mm ;CPC聚光器I长度与光伏电池板2、异型热管4蒸发段的长度一致，为1500mm ;本实施例异型热管4为内壁光滑的有芯热管,蒸发段的横截面为矩形，与光伏电池板2通过相变导热材料3接触的一面为平面，且横截面高度为8_，宽度与光伏电池板2宽度相同，即14mm ;异型热管4冷凝段的横截面为圆形,直径12mm,长度为80_。底框7在靠近联集管8的一端端面上开小口，小口的形状尺寸与异型热管4蒸发段横截面形状尺寸一致；置于底框7与异型热管4蒸发段壁面之间空隙中的保温材料6为聚氨酯泡沫。
[0027]本实施例运行中可实现250?330W的电力输出；根据光伏电池板的温度控制需求，通过调节水流量最终可提供40?90°C的热水。
[0028]上述实施例阐述的基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统，可直接供家庭使用；还可以将多个O 2，根据水电用量的需要确定数量)电热联产系统通过串并联的方式组合起来，形成一个大系统，用于住宅楼、公共建筑或工业企业的集中供电供热。
[0029]除以上实施例之外，本发明可有多种实施方式，凡在本发明基础上实施的等效替换或类似组合变换均落在本发明要求的保护范围之内。
【权利要求】
1.基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统，其特征在于由聚光单元、联集管(8)和玻璃盖板(5)组成；其中聚光单元由CPC聚光器(I)、光伏电池板(2)、热界面材料(3)、异型热管(4)、保温材料(6)和底框(7)组成；其中所述CPC聚光器(I)出口处设置光伏电池板(2 )，光伏电池板(2 )的受光面朝向CPC聚光器(I)的入口；异型热管(4)包括蒸发段和冷凝段，其蒸发段置于光伏电池板(2)背面且嵌入底框(7)的开口中，底框(7)中填充有保温材料(6)，蒸发段与光伏电池板(2)之间填充有热界面材料(3);聚光单元并排紧密排列，每个聚光单元中异型热管的冷凝段插入联集管(8 )的内套管(9 )当中，玻璃盖板(5 )覆盖在所有CPC聚光器(I)入口上方。
2.根据权利要求1所述的基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统,其特征在于:所述CPC聚光器(I)出口处的宽度和光伏电池板(2)的宽度相同；异型热管(4)蒸发段的横截面为半圆、矩形或三角形结构，与光伏电池板(2)通过热界面材料(3)接触的一面为平面，且横截面宽度与光伏电池板(2)宽度相同；异型热管4冷凝段的横截面为圆形。
3.根据权利要求1所述的基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统,其特征在于:所述底框(7)为一扁盒状壳体，在上壁面设置开口，开口长宽与异型热管(4)的蒸发段尺寸一致；在靠近联集管(8)的一端端面上开小口，小口的形状与异型热管(4)蒸发段横截面形状一致。
4.根据权利要求1所述的基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统,其特征在于:所述异型热管(4)为内壁光滑的重力热管、槽道热管或有芯热管。
5.根据权利要求1所述的基于热管技术的CPC聚光光伏电热联产系统,其特征在于:所述热界面材料(3)为导热硅脂、导热硅胶或相变导热材料；所述保温材料(6)为岩棉或聚氨酯泡沫。
【文档编号】F24J2/32GK103438589SQ201310386773
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】许辉, 吴菲, 张红, 封昌选 申请人:南京工业大学