一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件。包括菲涅爾透鏡、鋁制光漏斗、二次光學(xué)棱鏡、光伏電池模塊和槽道式水冷換熱器；槽道式水冷換熱器為槽道式短管狀，一側(cè)短管的外部沿軸向直接連接有散熱平臺(tái)；鋁制光漏斗為空心的四棱臺(tái)，其下端連接著二次光學(xué)棱的下端；二次光學(xué)棱鏡為四棱臺(tái)，其下端連接著光伏電池模塊的頂面上的光伏電池，光伏電池模塊的底面通過導(dǎo)熱硅膠連接著槽道式水冷換熱器的散熱平臺(tái)。太陽光經(jīng)菲涅爾透鏡聚集，經(jīng)鋁制光漏斗、二次光學(xué)棱鏡，均勻地投射在光伏電池上，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；光伏電池模塊下方設(shè)有槽道式水冷換熱器，可以有效降低光伏電池的溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)利用水將熱量帶走，收集到額外的熱能。
【專利說明】一種菲淫爾式聚光光伏光熱組件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能光伏光熱綜合利用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件。

【背景技術(shù)】
[0002]太陽能作為傳統(tǒng)能源的重要替代物之一，因其可再生和無污染的特點(diǎn)已經(jīng)受到了極大的重視，其中太陽能光伏利用和光熱利用是太陽能利用的兩個(gè)重要方面。在太陽能光伏利用中，提高太陽能光伏發(fā)電效率的有效途徑之一是提高光伏電池接收到的光照強(qiáng)度，即采用聚光方式。太陽能聚光方式有很多，目前比較成熟的有槽式聚光器，碟式聚光器，復(fù)合拋物面聚光器和菲涅爾式聚光器等。這些聚光器可以使焦點(diǎn)或焦平面處得到數(shù)倍到數(shù)千倍太陽的輻照強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)在焦點(diǎn)或焦平面處產(chǎn)生高熱流密度的熱量。光伏電池吸收太陽輻照后電池溫度會(huì)迅速升高，從而會(huì)導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降。長期處于較高工作溫度的狀態(tài)下還會(huì)加速光伏電池的老化，甚至造成光伏電池的永久性損壞。因此在太陽能光伏利用中，特別是太陽能高倍聚光光伏利用中，對(duì)光伏電池的良好冷卻是保證太陽能光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵性措施。
[0003]菲涅爾式聚光器利用菲涅爾透鏡光學(xué)元件將太陽光匯聚到面積很小的電池上，以此方式來減小焦斑處的電池面積，同時(shí)以相同的比例來增加電池上的光強(qiáng)。為了對(duì)光伏電池進(jìn)行良好的冷卻，通常在電池背面粘貼或焊接散熱器件來帶走熱量。在菲涅爾式聚光光伏接收器中，常用的換熱冷卻裝置多由銅或鋁作為換熱材料，做成外部直肋式的散熱器件，與光伏模塊相接觸，通過空氣的對(duì)流作用來帶走熱量，實(shí)現(xiàn)冷卻目的。這種結(jié)構(gòu)的散熱器雖然能夠起到一定的換熱冷卻效果，但受環(huán)境因素影響較大，在炎熱的天氣條件下很難有效降低電池的溫度，并且很難達(dá)到瞬間冷卻的換熱效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件，可以保證太陽能光伏電池高效工作，并同時(shí)收集額外的熱能。
[0005]一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件包括菲涅爾透鏡1、鋁制光漏斗2、二次光學(xué)棱鏡3、光伏電池模塊4和槽道式水冷換熱器6，所述槽道式水冷換熱器6為槽道式短管狀，一側(cè)短管的外部沿軸向直接連接有散熱平臺(tái)；所述槽道式水冷換熱器6的短管內(nèi)均布設(shè)有沿軸向的槽道10，相鄰槽道10之間為凸起的直肋11，槽道式水冷換熱器6的進(jìn)水口 7和出水口8均為螺紋管；所述鋁制光漏斗2為空心的上大下小的四棱臺(tái)，其上端與菲涅爾透鏡I的底面保持一定距離，其下端連接著二次光學(xué)棱鏡3的下端；所述二次光學(xué)棱鏡3為上大下小的四棱臺(tái)，其下端連接著光伏電池模塊4的頂面上的光伏電池12，光伏電池模塊4的底面通過導(dǎo)熱硅膠5連接著槽道式水冷換熱器6的散熱平臺(tái)；所述凸起的直肋11的寬度不超過槽道10的寬度的1/3，直肋11的高度不超過所述管道內(nèi)徑的1/6。
[0006]所述菲涅爾透鏡I的底面和鋁制光漏斗2下端之間的距離為菲涅爾透鏡I的焦距，所述鋁制光漏斗2的高度不超過菲涅爾透鏡I焦距的1/5。
[0007]本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面:
(1)本發(fā)明的菲涅爾式聚光光伏光熱組件可以實(shí)現(xiàn)太陽能的綜合利用，在保證發(fā)電效率的同時(shí)收集額外的熱能，大大提高太陽能的利用效率。針對(duì)本發(fā)明的菲涅爾式聚光光伏光熱組件進(jìn)行實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以砷化鎵三結(jié)電池作為光伏電池，以水作為冷卻介質(zhì)時(shí)，可以在保證發(fā)電效率維持不變甚至提高的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到45% ；
(2)本發(fā)明的菲涅爾式聚光光伏光熱組件采用槽道式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中槽道式水冷換熱器6的短管內(nèi)沿軸向直肋11的寬度不超過槽道10的寬度的1/3，直肋11的高度不超過管道內(nèi)徑的1/6，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既保證了冷卻水的均勻流動(dòng)，又保證了不會(huì)過分增加流動(dòng)阻力。直肋11增加了冷卻水與換熱器的接觸面積，同時(shí)對(duì)冷卻水造成了擾動(dòng)，提高了對(duì)流換熱系數(shù)。實(shí)測(cè)表明，針對(duì)本發(fā)明的菲涅爾式聚光光伏光熱組件，當(dāng)短管內(nèi)徑為26.4mm，直肋11寬度為2mm，高度為4.2mm，槽道10寬度為8.4mm時(shí)，冷卻水流量在0.02?0.12kg/s的范圍內(nèi)變化的情況下，與相同內(nèi)徑的光滑短管相比單個(gè)組件流道阻力幾乎無增加，而管道總換熱系數(shù)提高了 2倍左右；這表明流量增加，流動(dòng)阻力并無明顯增大，管道總換熱系數(shù)和流量無關(guān)，管道總換熱系數(shù)是通過管道結(jié)構(gòu)計(jì)算所得；
(3)本發(fā)明的菲涅爾式聚光光伏光熱組件可以實(shí)現(xiàn)各接收器之間電路與水路的獨(dú)立連接，方便安裝與組件設(shè)計(jì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明各部件分離的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2為光伏電池與二次光學(xué)棱鏡的局部示意圖。
[0010]圖3為槽道式水冷換熱器的局部示意圖及1/4剖視圖。
[0011]上圖中序號(hào):菲涅爾透鏡1、鋁制光漏斗2、二次光學(xué)棱鏡3、光伏電池模塊4、導(dǎo)熱硅膠5、槽道式水冷換熱器6、進(jìn)水口 7、出水口 8、內(nèi)螺紋接口 9、槽道10、直肋11、光伏電池12。

【具體實(shí)施方式】
[0012]為了進(jìn)一步解釋本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
[0013]參見圖1，一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件包括菲涅爾透鏡1，鋁制光漏斗2，二次光學(xué)棱鏡3，光伏電池模塊4和槽道式水冷換熱器6，其中槽道式水冷換熱器6為槽道式短管狀，槽道式短管的一端為內(nèi)螺紋接口 9，槽道式短管的一側(cè)外部沿軸向直接成型有方形散熱平臺(tái)。鋁制光漏斗2為空心的上大下小的四棱臺(tái)，其上端與菲涅爾透鏡I的底面保持一定距離，其下端連接著二次光學(xué)棱3的下端。菲涅爾透鏡I的底面和鋁制光漏斗2下端之間的距離為菲涅爾透鏡I的焦距，鋁制光漏斗2的高度不超過菲涅爾透鏡I焦距的1/5。本實(shí)施例中菲涅爾透鏡I的焦距為0.64m，對(duì)應(yīng)所采用的鋁制光漏斗高度為0.lm。參見圖3，槽道式水冷換熱器6的短管內(nèi)均布設(shè)有沿軸向的槽道10，相鄰槽道10之間為凸起的直肋11，凸起的直肋11的寬度不超過槽道10的寬度的1/3，直肋11的高度不超過短管內(nèi)徑的1/6。槽道式水冷換熱器6的進(jìn)水口 7和出水口 8均為螺紋管。其中進(jìn)水口 7連接進(jìn)水管，出水口 8連接出水管。參見圖2，二次光學(xué)棱鏡3為上大下小的四棱臺(tái)，其下端連接著光伏電池模塊4的頂面上的光伏電池；二次光學(xué)棱鏡3的下端面的形狀、大小與光伏電池12的形狀、大小相同，光伏電池12通過金線焊接在電池基板上，共同構(gòu)成光伏電池模塊4。光伏電池模塊4的底面通過導(dǎo)熱硅膠5連接著槽道式水冷換熱器6的散熱平臺(tái)。
[0014]本實(shí)施例中槽道式水冷換熱器6的短管內(nèi)徑為26.4mm，直肋11寬度為2mm，高度為4.2mm,槽道10寬度為8.4mm時(shí)，冷卻水流量在0.02?0.12kg/s的范圍內(nèi)變化的情況下，與相同內(nèi)徑的光滑短管相比單個(gè)組件流道阻力幾乎無增加，而管道總換熱系數(shù)提高了 2.2倍；當(dāng)直射的太陽光經(jīng)菲涅爾透鏡I折射后，進(jìn)入鋁制光漏斗2并被反射，再經(jīng)由二次光學(xué)棱鏡3折射，均勻地投射在光伏電池12上，進(jìn)而將光能轉(zhuǎn)換成電能。光伏電池模塊4下方的槽道式水冷換熱器6，可以有效降低光伏電池的溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)利用水將熱量帶走，收集到額外的熱能。
[0015]本發(fā)明的槽道式水冷換熱器6的短管軸向兩端的進(jìn)水口 7和出水口 8可直接通過標(biāo)準(zhǔn)零件連接管道，且多個(gè)接收器之間可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)自由連接，并保證了電路與水路連接的獨(dú)立性。冷卻水從槽道式水冷換熱器6的進(jìn)水口 7進(jìn)入，從出水口 8流出，冷卻水不會(huì)停滯于局部，能將局部熱量瞬間帶走，實(shí)現(xiàn)迅速降溫。若出現(xiàn)故障，例如冷卻水循環(huán)突然中斷的情況下，本發(fā)明的換熱器中仍能存儲(chǔ)一定容量的冷卻水，從而有效保護(hù)光伏電池，為排除故障爭取時(shí)間。
【權(quán)利要求】
1.一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件，包括菲涅爾透鏡(I)、鋁制光漏斗(2)、二次光學(xué)棱鏡(3 )、光伏電池模塊(4 )和槽道式水冷換熱器(6 )，所述槽道式水冷換熱器(6 )為槽道式短管狀，槽道式短管的一側(cè)外部沿軸向直接連接有散熱平臺(tái)；所述槽道式水冷換熱器(6)的短管內(nèi)均布設(shè)有沿軸向的槽道(10)，相鄰槽道(10)之間為凸起的直肋(11 )，槽道式水冷換熱器(6)的進(jìn)水口(7)和出水口(8)均為螺紋管；所述鋁制光漏斗(2)為空心的上大下小的四棱臺(tái)，其上端與菲涅爾透鏡(I)的底面保持有距離，其下端連接著二次光學(xué)棱鏡(3)的下端；所述二次光學(xué)棱鏡(3)為上大下小的四棱臺(tái)，其下端連接著光伏電池模塊(4)的頂面上的光伏電池(12 )，光伏電池模塊(4)的底面通過導(dǎo)熱硅膠(5 )連接著槽道式水冷換熱器(6)的散熱平臺(tái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件，其特征在于:二次光學(xué)棱鏡(3)的下端面的形狀、大小與光伏電池(12)的形狀、大小相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件，其特征在于:所述凸起的直肋(11)的寬度不超過槽道(10)的寬度的1/3，直肋(11)的高度不超過所述管道內(nèi)徑的1/6。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種菲涅爾式聚光光伏光熱組件，其特征在于:所述菲涅爾透鏡(I)的底面和鋁制光漏斗(2 )下端之間的距離為菲涅爾透鏡(I)的焦距，所述鋁制光漏斗(2)的高度不超過菲涅爾透鏡(I)焦距的1/5。
【文檔編號(hào)】H02S40/44GK104320074SQ201410586434
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】季杰, 徐寧, 孫煒, 韓利生, 陳海飛, 金祝嶺 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)