专利名称：一种通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高温散热装置，特别涉及一种通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置。
背景技术：
近年来，国家对新能源技术宣传推广力度不断加大，太阳能作为一种清洁可再生能源，在国内得到广泛应用。伴随该技术的普及，实际应用中的问题日益凸显，如天气变化频繁，光照强度不稳定等，严重影响设备工作效率及工作寿命，针对此类现象，太阳能聚光电池技术以其更强的适应能力、更稳定的工作效率等优势逐渐受到关注。 太阳能聚光电池发电技术是通过采用聚光技术，以相对廉价的聚光设备代替传统昂贵的大面积太阳能电池板，并将阳光集中照射在聚光电池表面，进行发电的一种技术。经过多年的技术发展与改良，聚光电池的生产成本逐渐降低，光电转换效率不断提高，结合透镜技术的发展，聚光电池的节能优势日益凸显，在相同输出功率前提下，聚光电池能流密度更高、芯片使用更少、初期投资更低，实现了光伏转换高效性与经济性的统一。如2007年，III-V族三结电池的效率已达到40.8%，而且多结电池效率不断提高，在未来几年可望达到50%，相较传统太阳能电池面板约16%左右的转换效率，在技术层面具有革命性意义。目前，聚光透镜的聚光比可达数百乃至数千倍，聚光倍率的增加可大幅提高能流密度，克服光照、气象等不利因素，有效提高电池系统的发电效率，因此，聚光电池生产厂家和研究机构都在为单位面积内更大限度提高聚光倍率而努力。但聚光倍率的增加，产生巨大负面效应，当聚光强度增加到一定幅度时，太阳能聚光电池表面温度急剧增加，导致聚光电池输出功率阶跃性下降。据某科研机构研究验证，对于在短时间内运行的太阳能电池组件，温度每上升l°c，会使电池组输出电量降低O. 2% O. 5%，长期超温运行将导致其整体能力下降，缩减电池寿命。电池高温、超温问题不只影响输出功率，因聚光透镜多为点、线式聚焦，且受光照稳定性和气象因素影响，聚光常会造成电池表面偶发性超温和高温分布不均等现象，一方面高温会超越电池安全运行温度，直接烧毁电池；另一方面，热偏差产生的强热应力会破坏电池芯片，导致散热背板结构变形，因此解决聚光电池高温热点问题具有重要研究价值。面对高温难题，不同厂家和研究机构提出了多种解决方法，主要分为以下几类 (I)主动散热方式主要通过在电池背板增加散热翅片实现，翅片可有效提高电池背板
热沉，扩展散热面积，经合理优化散热器结构可缓解聚光电池高温问题，但该方式受气象条件影响严重，又因散热效果受对流面积影响，若翅片体积受设备制约，则散热效果下降，难以满足高温散热需求。(2)被动散热方式主要通过增加辅助设备实现，常见方式为增加散热风扇或冷水喷淋系统。此类装置虽散热效果明显，但驱动风扇和管路水泵均需耗费电能，严重影响太阳能电池输出功率，且冷却水无回收和控流系统，影响设备运行经济与安全性，不适宜广泛推广应用。
综上所述，国内在解决太阳能聚光光伏系统散热问题方面存在技术障碍，市场需要一款散热效果优良、成本低廉且适用广泛的“热点”散热装置。查阅相关专利授权情况来看
(I)山东省济南市天桥区丁建东发明的“自散热太阳能电池装置”，专利号201020189301.此发明装置要点为在电池板背面粘接散热金属翅片，通过自然通风对流传热保持电池板安全运行温度，该装置优点结构简单，但通风对流模式热量散失有限，故适用于低温面板系统，无法满足聚光高温热点散热要求。(2)中国冶金矿业鞍山冶金设计研究院有限责任公司王靖文发明的“一种自动循环水冷式散热装置”，专利号201120355549。此发明提出了利用吸热后密度差异实现冷却水自然循环制冷的概念，虽然该发明可以达到水冷效果，但无相变情况下单一依赖密度差异实现循环，散热效果和循环效果均较差，又因装置结构复杂，体积较大，严重影响在市场的实际推广。
发明内容
本发明是针对高温影响聚光光伏电池的稳定工作的问题，提出了一种通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置，针对散热系统需求，结合相关前期研究，设计了自然流动式工质可回收循环利用的散热装置，该装置结构简单、材料广泛、造价低廉。本发明的技术方案为一种通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置，入射光聚焦到热沉面板上，热沉面板后面紧贴吸水陶瓷片，吸水陶瓷片后面为背板，吸水陶瓷片与背板之间为空心腔体，形成条形气体通道抽吸烟囱，抽吸烟囱通到散热装置顶端半圆形集汽腔内，半圆形集汽腔外有散热翅片，散热管束分布置于背板后侧，上端与集汽腔相连，下端与散热器底部的集水箱连接，集水箱为空腔蓄水容器，前部与热沉面板融为一体，后部联接散热管束，吸水陶瓷片延伸浸入集水箱内。所述散热管束为一排扁平管，正反面均由散热丝平铺联接。本发明的有益效果在于本发明一种通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置，不但解决了散热系统额外能耗问题，避免了冷却工质的流失浪费，且装置造价低廉、维护方便，可显著提高设备方的经济效益，有助于太阳能聚光光伏技术的持续发展。同时，采用本装置，可杜绝聚光电池高温损毁现象，提高发电效率，如将此技术推广至全国范围应用，数据累积可带来巨额运行收益，从而缩短聚光光伏系统投资回报周期，有助于更好的体现聚光光伏技术推广价值，符合国家可持续发展战略方针。
图I为本发明通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置结构示意 图2为本发明通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置中热沉面板正视 图3为本发明通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置中热沉面板背侧剖视
图4为本发明通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置中工质循环回路示意图。
具体实施例方式如图I所示通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置结构示意图，入射光线I通过聚光透镜11聚焦到热沉面板9上的聚焦热点10，热沉面板9后面紧贴吸水陶瓷片2，吸水陶瓷片2后面为背板3，吸水陶瓷片2与背板3之间为空心腔体，形成条形气体通道抽吸烟囱4，抽吸烟囱4通到散热器顶端半圆形集汽腔6内，半圆形集汽腔6外有散热翅片5，散热管束7分布置于背板3后侧，上端与集汽腔6相连，下端与散热器底部的集水箱8连接，集水箱8为空腔蓄水容器，前部与热沉面板9融为一体，后部联接散热管束7，吸水陶瓷片2延伸浸入集水箱8内。相变吸热腔体，该部分布置于“热点”接触面板后侧，由热沉面板9、吸水陶瓷片2和背板3三部分构成。工作时，由吸水陶瓷片2借助毛细虹吸作用将冷却水由底部集水箱8吸上，在热沉面板9背面形成低温水膜，维持面板工作温度。当温度瞬时提高或持续高温时，薄层水膜汽化，相变吸收大量热能，低密度水蒸气沿流道上升经抽吸烟 4排出相变 腔，同时热气流可促进水膜汽化和陶瓷继续吸水，从而形成吸水一水膜一汽化的冷却液流动过程，及时将大量热能转离热沉面板9，实现散热作用。集汽腔部分，该部分位于散热器顶端，主要功能为实现蒸汽散热凝结和凝结水汇集回流，由抽吸烟囱4、半圆形集汽腔6和散热翅片5三部分组成。携带热量的水蒸汽由抽吸烟囱4进入集汽腔6，因集汽腔6外部装有散热翅片5且空间较吸热腔大，一方面，增加了蒸汽换热面积，易于蒸汽冷却凝结；另一方面，由热力学特性知，气体膨胀焓降明显，体积变化可强化蒸汽散热；同时，独特的抽吸烟 4设计可显著提高工质循环速率，催化蒸发过程，降低蒸汽在热腔停留时间，有效降低热沉面板9温度，保证良好散热效果。散热管束7主要作用为完成热工质二次散热，将湿蒸汽完全转化为水，并降低凝水温度，实现工质由气态到液态的转换。散热管束7为一排扁平管，正反面均由散热丝平铺联接，以实现更好的散热效果，并可据实际散热效果对管束进行形状、长度变化，达到工质完全液化所需散热面积。底部集水箱8，该部分主要作用为存贮散热管束回流凝结水，提供热腔所需冷却水工质，实现工质在整体装置内的完整循环，并可依实际运行情况对工质储量进行调节和优化。为了提高装置的散热效果，本装置针对性设计了两级冷却方式，一方面通过气液转换散热和对流换热两级可确保凝结回水低温工况，另一方面二级换热管束部分，可依据“热点”的实际情况增加管路长度、扩展换热面积，提高了装置适用性，确保散热效果稳定、达标。传统的散热系统普遍存在结构复杂、经济性差和散热工质浪费等弊端。如风扇强制散热系统，相较太阳能电池较低的发电功率，风扇能耗严重降低电池运行个经济性，且受环境影响严重，易受雨雪影响损坏；又如冷水喷淋强制散热系统，虽然可以达到较好的散热效果，但在节水要求较高的前提下，工质喷淋浪费，无法在实际中广泛推广。为了避免这些情况，本发明的特殊设计包括以下两个方面
如图2、3所示热沉面板正视图和背侧剖视图，此为自然动力循环设计，针对早期装置工质循环耗能问题，将吸水陶瓷片2合理应用于装置中，首先借助自然虹吸现象解决冷却水由集水槽8至聚焦热点10的初动力需求问题，成功将冷却水提升至“热点”高度，工质受热相变蒸发，从陶瓷孔隙、和间隔中上逸至顶端集汽腔6，此时陶瓷湿度降低，吸水能力提高，继续由底部集水槽8汲水至聚焦热点10，从而实现冷却水由底部至顶部的自然循环，达到散热效果。如图4所示工质循环回路示意图，原有喷淋散热装置虽然散热效果良好，但淋水汽化损失严重，且水流路径未规划，易侵入设备，造成短路等损害。针对此问题本设计对散热装置内部水流通道进行了合理设计，并对整体进行密封，杜绝了工质的损失和外溢，另夕卜，通过两级散热设计，可以确保冷却工质在底部集水槽8、散热热腔、顶部集汽腔6和散热管束7间维持“水一水蒸气一水”的热力循环特性，运用有限的冷却液，实现装置的重复利用，达到节能减排要求。图中散热管束7为一排扁平管，正反面均由散热丝12平铺联接。经相关数据计算及实验证明，500倍率聚光太阳能电池单独工作时，工作温度可达250°C左右，光电转换效率明显下降，采用此装置后，可使工作温度维持100°C左右，前后温差达150°C，经分析可提高光电转换效率约5%，装置实用效果显著，达到预期目标。经试验研究发现，冷却水在热腔中停留时间及蒸发速率对该装置散热效果影响明显，较快的蒸汽流速可以及时转移热量至热腔外，且避免了蒸汽过热现象的发生，同时，流速的加快可促进蒸发的进行，间接提高陶瓷吸水能力，使冷却水膜更新频率提高，保证热沉面板的低温工况，针对此现象，本设计创造性提出循环抽吸烟 概念。抽吸烟囱4布置于热腔与顶部集汽腔6联接处，该设计的灵感来源于工程热力学喷管理论，由于结构类似于渐缩渐放喷管，故相同流量时，因气流受到管路挤压，蒸汽在流经抽吸烟 过程中，速度持续增加，并在流出喷管后达到速度最大值。此时因蒸汽进入集汽腔6，膨胀且换热面积增大，随后发生凝结现象，集汽腔6内压力陡降，故烟囱出口背压降低，反作用对热腔出口形成抽吸效应，间接提高了热腔内蒸汽的流速和水膜更新速率，强化了装置整体散热效果。 作为一种新型散热装置，经理论分析和实践验证，认为本装置切实可行，主要有以下几个方面作为理论和应用依据
首先，本系统整体设计与电厂锅炉类似，涉及工质自然循环过程在工业锅炉中得到了普遍应用，理论清晰，技术成熟，运行稳定，符合理论设计要求，可以保证装置的稳定运行及散热效果的实现；其次，本系统结构简单、效果显著，且加工方便、材料价格低廉，符合应用技术广泛推广的前提条件；另外，本装置采用独立设计理念，对原设备结构和运行无任何改动及影响，并可根据实际情况，对散热装置优化改进，经高温导热胶与热点粘连即可工作，普适于几乎全部“热点”工况，市场推广潜力巨大。综上所述，本装置满足工业生产和科学研究中对高温“热点”的散热需求，不但解决了散热系统额外能耗问题，避免了冷却工质的流失浪费，且装置造价低廉、维护方便，可显著提高设备方的经济效益，有助于有助于太阳能聚光光伏技术的持续发展。同时，采用本装置，可杜绝聚光电池高温损毁现象，提高发电效率，如将此技术推广至全国范围应用，数据累积可带来巨额运行收益，从而缩短聚光光伏系统投资回报周期，有助于更好的体现聚光光伏技术推广价值，符合国家可持续发展战略方针。总结此装置主要具有以下几类优点
(I)散热效果显著根据“热点”特性优化设计后，蒸发量与吸水量实现动态平衡。一方面热量可及时被转离热腔，保证热沉面板背侧始终由水膜包覆，形成稳定低温工作环境 ’另一方面因水的常压沸点为100°c，散热器工作达到相变平衡时，极限条件下仍可保证热沉面板温度不高于100°C，较原聚光面板300°C左右工作温度有显著变化。(2)工作状态稳定本装置循环方式与电厂自然循环锅炉原理类同，动力来源为工质受热后所产生的密度差异。经吸水陶瓷片虹吸提水后，热沉面板对工质加热，上部水膜密度降低出现汽化现象，促进热工质上升及上逸，湿度降低的陶瓷片可继续从集水槽吸水补充冷却质，从而保证散热腔内的稳定工况。为了促进循环的速率，装置独创性设计抽吸烟囱装置，利用热抽吸效果，加快工质循环，使热腔散热效果更佳，运行更稳定。同时，散热管束设计为拼接组合方式，可据实际情况改变管束参数，扩展散热面积，保证进入集水箱的冷凝水维持低温，使装置整体散热效果持续稳定。(3)结构简单、成本低廉本装置针对高温“热点”进行设计，在保证散热效果的前提下，注重合理应用工程热力学原理以简化装置结构，实现了无任何能耗设备辅助情况下工质的自然循环，结构简单易制。同时，装置所涉相关部件均为实验室、市场常见原料，如吸 水陶瓷片、热沉铝板、散热管等，价格低廉易购，市场推广优势明显。(4)适用范围广本装置设计出发点为解决聚光光伏系统高温和超温问题，经验证认为，因平面热沉面板可据实际情况改变形状，不影响散热效果，且本装置具有易安装、易拆卸、易维护等优点，避免了改造对原发热设备的影响，故可普遍适用于工程、实验中常见“热点”问题，推广范围广泛。
权利要求
1.一种通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置，其特征在于，入射光聚焦到热沉面板(9)上，热沉面板(9)后面紧贴吸水陶瓷片(2)，吸水陶瓷片(2)后面为背板(3)，吸水陶瓷片(2)与背板(3)之间为空心腔体，形成条形气体通道抽吸烟囱(4)，抽吸烟囱(4)通到散热装置顶端半圆形集汽腔(6)内，半圆形集汽腔(6)外有散热翅片(5)，散热管束(7)分布置于背板(3)后侧，上端与集汽腔(6)相连，下端与散热器底部的集水箱(8)连接，集水箱(8)为空腔蓄水容器，前部与热沉面板(9)融为一体，后部联接散热管束(7)，吸水陶瓷片(2)延伸浸入集水箱(8)内。
2.根据权利要求I所述通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置，其特征在于，所述散热管束(7)为一排扁平管，正反面均由散热丝平铺联接。
全文摘要
本发明涉及一种通用于聚光高温热点的自然循环式相变散热装置，装置的热沉面板后面紧贴吸水陶瓷片，吸水陶瓷片后面为背板，吸水陶瓷片与背板之间为空心腔体，形成条形气体通道抽吸烟囱，抽吸烟囱通到散热装置顶端半圆形集汽腔内，半圆形集汽腔外有散热翅片，散热管束分布置于背板后侧，上接集汽腔，下接底部的集水箱，集水箱前部与热沉面板融为一体，后部联接散热管束。从陶瓷孔隙、抽吸烟囱上逸至顶端集汽腔，再到底部集水槽的热沉面板，实现冷却水由底部至顶部的自然循环；底部集水槽、散热热腔、顶部集汽腔和散热管束间维持“水—水蒸气—水”的热力循环。既解决散热系统额外能耗问题，又避免冷却工质的流失浪费，装置造价低廉、维护方便。
文档编号H01L31/052GK102867876SQ20121038800
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者李琦芬, 李涛, 孙伟东, 周致田, 荆树春 申请人:上海电力学院