CN113871505B - 一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统 - Google Patents

Abstract

一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，属于新能源利用技术领域。本发明解决了现有的聚光光伏与辐射制冷结合利用的效果不理想，导致光伏组件的输出功率低以及聚光光伏条件下电池的冷却效果差的问题。它包括聚光光伏装置、相变吸热组件、辐射制冷涂层以及支撑架，其中所述聚光光伏装置包括地面反射镜、菲涅尔聚光镜以及光伏电池，地面反射镜、菲涅尔聚光镜及相变吸热组件分别安装在支撑架上，且所述相变吸热组件平行于菲涅尔聚光镜设置，光伏电池平行贴合在相变吸热组件上朝向菲涅尔聚光镜的一侧面，太阳光经地面反射镜反射至菲涅尔聚光镜，菲涅尔聚光镜形成的聚光光斑覆盖至光伏电池上。

Description

一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统

技术领域

本发明涉及一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，属于新能源利用技术领域。

背景技术

当今社会，能源危机以及可持续发展要求的大背景下，新能源的开发与利用一直以来均为国内外研究的热点。然而目前光伏发电仍然受转化效率的限制而难以达到较高的发电量，尤其是对于可用面积有限的区域，装配光伏所产生的电能受装配面积限制较大，而聚光光伏的应用能够很大程度上应对该问题。但聚光光伏系统中，电池存在温度过高的问题，使得电池的转化效率过低，而导致聚光失去价值。因此如何将聚光光伏组件的温度有效降低对于提高聚光光伏系统的输出性能，推动聚光光伏系统的普及具有重要意义。

目前聚光光伏组件的冷却方案主要分为被动式与主动式，主动式冷却主要包括水冷、风冷等受迫对流的方式进行散热，由于其装置较为复杂，并且需要外部进行能量输入，因此不利于能量转化效率的提升；而被动式冷却主要以光伏组件背面添加导热背板抑或是背面直接添加散热肋片等形式，该类形式需求的散热组件体积较大，且散热效果受到自然条件的影响较大。

鉴于此，许多研究人员提出了辐射制冷的方式，利用8~13μm大气窗口与外太空进行辐射热交换，并且作为被动式散热方式，辐射制冷大多为涂层或薄膜的形式，装配简便，散热潜力较大。目前，已有部分研究人员将辐射制冷与光伏相结合进行相关的探究，其中研究主要以透射式辐射制冷为主。

透射辐射制冷虽然使用方便，结构更加简洁，但是电池的表面积限制了其辐射制冷的功率，若光照强度较强即电池处于聚光条件下时，透射式辐射制冷效果并不足以应对高温光伏电池的降温。

而反射式辐射制冷在制冷量的提升方面更具潜力，但需要一定的结构设计作为支撑。同时，若直接将辐射制冷涂层涂抹与光伏电池的背面，由于其工作过程中温度变化明显，尤其是聚光条件下，其表面温度分布十分不均匀，此情况下光伏电池以及辐射制冷的效果均不理想。因此目前通过设计，将辐射制冷高效地应用于光伏电池组件尤其是聚光光伏条件下电池的冷却，对于提高小面积光伏组件的输出功率，节约光伏组件的占地面积，提高发电总量，使其更具有经济效益等方面均具有十分重要的意义。

发明内容

本发明是为了解决现有的聚光光伏与辐射制冷结合利用的效果不理想，导致光伏组件的输出功率低以及聚光光伏条件下电池的冷却效果差的问题，进而提供了一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，它包括聚光光伏装置、相变吸热组件、辐射制冷涂层以及支撑架，其中所述聚光光伏装置包括地面反射镜、菲涅尔聚光镜以及光伏电池，地面反射镜、菲涅尔聚光镜及相变吸热组件分别安装在支撑架上，且所述相变吸热组件平行于菲涅尔聚光镜设置，光伏电池平行贴合在相变吸热组件上朝向菲涅尔聚光镜的一侧面，太阳光经地面反射镜反射至菲涅尔聚光镜，菲涅尔聚光镜形成的聚光光斑覆盖至光伏电池上。

进一步地，光伏电池与相变吸热组件之间均匀涂抹有导热膏。

进一步地，所述相变吸热组件包括相变存储箱及存储在相变存储箱内的相变材料。

进一步地，所述相变存储箱的材质为紫铜。

进一步地，所述相变材料的相变温度在70℃以内。

进一步地，所述支撑架包括若干支脚、若干支撑柱及若干支撑杆，其中所述地面反射镜通过若干支脚定位在地面上，所述相变吸热组件通过若干支撑柱连接至若干支脚，所述菲涅尔聚光镜与所述相变吸热组件之间通过若干支撑杆相连。

进一步地，支脚、支撑柱及支撑杆的数量均为四个。

进一步地，地面反射镜为四边形结构。

进一步地，地面反射镜水平布置。

进一步地，光伏电池的面积小于菲涅尔聚光镜的聚光光斑面积。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请通过将聚光光伏装置、相变吸热组件以及辐射冷却涂层相结合，实现了光伏电池的聚光、输出及散热一体化。

本申请于日间运行时，通过地面反射镜将太阳光反射至菲涅尔聚光镜，菲涅尔聚光镜将投射的光照汇聚在光伏电池上，以形成高强度的光照，一定的聚光比下，有效提高光伏电池的输出功率；

通过相变吸热组件，能够将光伏电池在聚光条件下产生的热量进行有效的吸收，同时降低光伏电池的运行温度及其不均匀性，保证其输出电能的能力；

辐射制冷涂层装配简便，能够有效将光伏系统所产生的热能通过辐射的方式散失至外太空，以防止整个系统的工作温度过高，而使得聚光光伏输出性能降低，保持系统运行的稳定性；

本申请有利于大幅度提高有限面积光伏组件的输出功率，提高光伏电池的土地利用效率。同时本申请结构较为简单，系统稳定性好，构件成本较低，且简洁的装配方式有利于该综合系统的推广及应用。

附图说明

图1为本申请的主剖视示意图；

图2为菲涅尔聚光镜与相变吸热组件的联合装置的倾斜角示意图；

图3为相变吸热与辐射制冷联合装置的主剖视示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~3说明本实施方式，一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，它包括聚光光伏装置、相变吸热组件5、辐射制冷涂层1以及支撑架，其中所述聚光光伏装置包括地面反射镜2、菲涅尔聚光镜3以及光伏电池4，地面反射镜2、菲涅尔聚光镜3及相变吸热组件5分别安装在支撑架上，且所述相变吸热组件5平行于菲涅尔聚光镜3设置，光伏电池4平行贴合在相变吸热组件5上朝向菲涅尔聚光镜3的一侧面，太阳光经地面反射镜2反射至菲涅尔聚光镜3，菲涅尔聚光镜3形成的聚光光斑覆盖至光伏电池4上。

采用地面反射镜2，将太阳光反射至以一定角度放置的菲涅尔聚光镜3，并通过菲涅尔聚光镜3将光照汇聚于一定角度反向放置的光伏电池4上表面，以形成多倍聚光效果，提高光伏电池4输出电能。相变吸热组件5能够将聚光条件下，光伏电池4产生的热量进行吸收并均匀化，以降低光伏电池4温度分布的不均匀性以及实际工作温度数值；辐射制冷涂层1将相变吸热组件5吸收的热量与外太空进行交换，将热量散失掉。

菲涅尔聚光镜3与光伏电池4之间的平行间距根据所选用的菲涅尔聚光镜3的聚光倍数以及其焦距进行确定，通过调节二者的平行间距，调节在相变吸热组件5上形成的光斑面积大小。依据光斑面积，选取合适尺寸的光伏电池4，使得光伏电池4能够完全被聚光光斑所覆盖。

菲涅尔聚光镜3与相变吸热组件5的联合装置的倾斜角根据太阳高度角α进行确定，联合装置与地面之间的夹角为(90-α)。太阳高度角α即为太阳光照与地面反射镜2之间的入射角。整个系统面向太阳的方向为前方。

将光伏电池4置于相变吸热组件5表面形成的光斑中心，以使其获得最佳光照。

地面反射镜2的面积根据具体所需聚焦光照面积进行判定。菲涅尔聚光镜3的大小及面积由需求的聚光倍数所确定。

辐射制冷涂层1覆盖在相变吸热组件5上除被光伏电池4所覆盖的部分区域。通过辐射制冷涂层1，以实现与外太空的辐射热交换，以散失掉综合系统总体产生的热量。

相变吸热组件5与辐射制冷涂层1共同形成相变吸热与辐射制冷联合装置。

根据太阳随时间的变化，可每经过特定时间段对光伏系统朝向进行调节。或者通过机械设计，对光伏系统进行改进添加太阳光追踪装置以自动调节系统朝向。

光伏电池4类型根据实际需要选取晶体硅或砷化镓太阳能电池。

工作原理：

日光下，由地面反射镜2所反射的太阳光覆盖整个菲涅尔聚光镜3，经过菲涅尔聚光镜3的汇聚作用，形成高斯分布的聚光光斑，光斑面积大于光伏电池4面积，光伏电池4在多倍聚光条件下，将提供多倍于标准条件下的光电功率输出。同时光伏电池4因在高斯分布聚光条件下使用，其内部产生大量热量，且表面温度分布将不均匀。

光伏电池4所产生的热量，有效传递至相变吸热组件5，以使光伏电池4的温度降低，且有效降低电池表面温度分布的非均匀性。

覆盖于相变吸热组件5表面的辐射制冷涂层1，通过大气窗口与外太空进行有效的辐射热传递，将相变吸热组件5的热量传递去外太空，同时稳定的相变吸热组件表面温度也使得辐射制冷涂层1能够稳定为整个光伏系统提供散热效果。整个光伏系统处于热量的动态平衡状态，且能够稳定地向外界提供可观的电能。

光伏电池4与相变吸热组件5之间均匀涂抹有导热膏6。通过导热膏6优化光伏电池4与相变吸热组件5之间的换热效率，提高光伏电池4向相变吸热组件5传递热能的性能。

所述相变吸热组件5包括相变存储箱51及存储在相变存储箱51内的相变材料52。所述相变材料52为高潜热的相变材料52，高潜热的相变材料52能够迅速吸收掉该部分热量而保持相变存储箱表面具有较低且均匀的温度，保证相变存储箱51表面的温度不超过70℃，进而使得光伏电池4与相变存储箱51之间的换热保持良好的速率。

所述相变存储箱51的材质为紫铜。保证其具有良好的导热性能。

所述相变材料52的相变温度在70℃以内。所述相变材料52采用高潜热相变材料52如石蜡等。相变材料52充满相变存储箱51。

所述支撑架包括若干支脚7、若干支撑柱8及若干支撑杆9，其中所述地面反射镜2通过若干支脚7定位在地面上，所述相变吸热组件5通过若干支撑柱8连接至若干支脚7，所述菲涅尔聚光镜3与所述相变吸热组件5之间通过若干支撑杆9相连。通过若干支撑杆9固定菲涅尔聚光镜3与相变吸热组件5之间的相对位置，使二者保持良好的平行状态。通过若干支撑柱8固定菲涅尔聚光镜3与相变吸热组件5所形成的联合装置。支撑杆9、支撑柱8及支脚7之间的连接角度均可调，调节相变吸热组件5与支撑杆9固定的位置以调控其与地面夹角(90-α)，根据固定好方向的相变吸热组件，调节地面反射镜2的位置，以使得反射的太阳光能够有效覆盖整个菲涅尔聚光镜3。

支脚7、支撑柱8及支撑杆9的数量均为四个。

地面反射镜2为四边形结构。

地面反射镜2水平布置。

光伏电池4的面积小于菲涅尔聚光镜3的聚光光斑面积。

Claims (8)

1.一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，其特征在于：它包括聚光光伏装置、相变吸热组件（5）、辐射制冷涂层（1）以及支撑架，其中所述聚光光伏装置包括地面反射镜（2）、菲涅尔聚光镜（3）以及光伏电池（4），地面反射镜（2）、菲涅尔聚光镜（3）及相变吸热组件（5）分别安装在支撑架上，且所述相变吸热组件（5）平行于菲涅尔聚光镜（3）设置，光伏电池（4）平行贴合在相变吸热组件（5）上朝向菲涅尔聚光镜（3）的一侧面，太阳光经地面反射镜（2）反射至菲涅尔聚光镜（3），菲涅尔聚光镜（3）形成的聚光光斑覆盖至光伏电池（4）上；

所述支撑架包括若干支脚（7）、若干支撑柱（8）及若干支撑杆（9），其中所述地面反射镜（2）通过若干支脚（7）定位在地面上，所述相变吸热组件（5）通过若干支撑柱（8）连接至若干支脚（7），所述菲涅尔聚光镜（3）与所述相变吸热组件（5）之间通过若干支撑杆（9）相连；

辐射制冷涂层（1）覆盖在相变吸热组件（5）上除被光伏电池（4）所覆盖的部分区域；

光伏电池（4）的面积小于菲涅尔聚光镜（3）的聚光光斑面积。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，其特征在于：光伏电池（4）与相变吸热组件（5）之间均匀涂抹有导热膏（6）。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，其特征在于：所述相变吸热组件（5）包括相变存储箱（51）及存储在相变存储箱（51）内的相变材料（52）。

4.根据权利要求3所述的一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，其特征在于：所述相变存储箱（51）的材质为紫铜。

5.根据权利要求3所述的一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，其特征在于：所述相变材料（52）的相变温度在70℃以内。

6.根据权利要求1所述的一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，其特征在于：支脚（7）、支撑柱（8）及支撑杆（9）的数量均为四个。

7.根据权利要求1所述的一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，其特征在于：地面反射镜（2）为四边形结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统，其特征在于：地面反射镜（2）水平布置。