阅读说明：本技术 一种基于双回路冷却的聚光太阳能发电装置 (Concentrating solar power generation device based on double-loop cooling ) 是由 金鹏 高辉辉 佟浩 孙魏 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：一种基于双回路冷却的聚光太阳能发电装置,其主要包括聚光机构、发电机构、散热机构和控制机构,其中散热机构包括冷却通道、第一水箱和第二水箱,冷却通道用于利用流过内部的冷却水吸收太阳能电池热传导至冷却通道内部的热能,第一水箱的位置高于冷却通道且与冷却通道进行管道串联以形成第一冷却回路,第二水箱与冷却通道进行管道串联以形成第二冷却回路；其中控制机构包括控制器和设于第一冷却回路和第二冷却回路上的多个电动阀门,用于控制多个电动阀门以切换第一冷却回路和第二冷却回路。采用散热机构对发电机构产生的热能进行疏散,使得冷却水可以快速吸收太阳能电池热传导至冷却通道内部的热能,达到水冷散热的目的。(A concentrating solar power generation device based on double-loop cooling mainly comprises a concentrating mechanism, a power generation mechanism, a heat dissipation mechanism and a control mechanism, wherein the heat dissipation mechanism comprises a cooling channel, a first water tank and a second water tank, the cooling channel is used for absorbing heat energy conducted to the inside of the cooling channel by solar cells through cooling water flowing through the cooling channel, the first water tank is higher than the cooling channel and is in pipeline series connection with the cooling channel to form a first cooling loop, and the second water tank is in pipeline series connection with the cooling channel to form a second cooling loop; the control mechanism comprises a controller and a plurality of electric valves arranged on the first cooling circuit and the second cooling circuit and used for controlling the plurality of electric valves to switch the first cooling circuit and the second cooling circuit. The heat energy generated by the power generation mechanism is evacuated by the heat dissipation mechanism, so that the cooling water can rapidly absorb the heat energy conducted from the solar cell to the inside of the cooling channel, and the purpose of water cooling heat dissipation is achieved.)

一种基于双回路冷却的聚光太阳能发电装置

技术领域

本发明涉及太阳能聚光发电技术领域，具体涉及一种基于双回路冷却的聚光太阳能发电装置。

背景技术

随着全球经济的发展，能源与环境的双重压力影响日趋严重，对新型可再生清洁能源的开发与利用越来越得到人们的重视。太阳能作为一种洁净的可再生的能源具有很光明的利用前景，其有效利用是解决环境问题和能源问题的主要途径之一。

在太阳能的利用上，光伏发电技术通过光生伏特效应可将太阳能直接转换为电能，被视为最佳的可持续性发展技术之一，从目前应用情况来看光电转换效率最高的光伏电池是多结太阳能电池。多结太阳能电池由不同半导体材料的PN结构成，按照禁带宽度由大到小从上而下、保证晶格匹配层叠在一起，这些子电池能够分别吸收不同波长范围的太阳光，弥补了单结太阳能电池只能吸收特定波长范围太阳光的缺陷，从而提高光电转换效率。此外，采取聚光方法可以将太阳光汇聚到电池表面，如此不仅可以提高光伏效率，还可以减少昂贵的电池材料的使用量，进一步降低成本。

聚光型的多结太阳能电池发电系统很大程度上提高了光电转换效率，但同时也带来了一些问题。高倍率的聚光使得太阳辐射出的能量除了被太阳能电池吸收转化为电能和被反射损失之外，还有很大部分能量转换成了热能，使得聚光太阳能电池的温度迅速上升，最终对电池的光电转化效率以及一系列的输出特性造成影响，同时电池长期工作在高温下也会迅速老化从而减少使用寿命甚至直接损坏。在专利文献(CN201410630950.2)中公开了一种聚光光伏温差发电系统，以及在专利文献(CN201510036289.7)中公开了一种菲涅尔聚光温差发电装置，文献中提及采用温差发电片来回收聚光后产生的热量，提出采用散热片/器来控制系统温度，然而在系统实际运行状态下，高倍率聚光太阳能电池的温度很高，仅仅通过散热片/器和空气换热的冷却方式系统冷却效果并不明显。

目前，采用温差发电技术可以很好地利用聚光后产生的这一部分热能，但若系统没有做到有效地冷却，温差发电模块的额外引入会增加热阻而导致太阳能电池的热量更加难以散去。因此，对于聚光太阳能电池发电系统，能否有效散热会直接影响到系统的整体能量转换效率，最终影响太阳能发电技术的实际应用效果。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是如何提高现有聚光太阳能电池的散热效果，以避免过热因素导致的太阳能发电系统的能量转换效率低下的情形发生。

为解决上述技术问题，本申请提供一种基于双回路冷却的聚光太阳能发电装置，其包括：聚光机构，用于将接收到的太阳光汇聚成一路聚合光；发电机构，包括太阳能电池，所述太阳能电池设于所述聚合光的光路上，用于将所述聚合光转化成电能；散热机构，包括冷却通道、第一水箱和第二水箱；所述太阳能电池固定在所述冷却通道的外表面，所述冷却通道用于利用流过内部的冷却水吸收所述太阳能电池热传导至所述冷却通道内部的热能；所述第一水箱的位置高于所述冷却通道且与所述冷却通道进行管道串联以形成第一冷却回路，所述第一冷却回路用于通过冷却水的静压差和密度差驱动冷却水在所述冷却通道内流动；所述第二水箱与所述冷却通道进行管道串联以形成第二冷却回路，所述第二冷却回路用于通过泵机驱动冷却水在所述冷却通道内流动；控制机构，包括控制器和设于所述第一冷却回路和所述第二冷却回路上的多个电动阀门；所述控制器用于控制多个所述电动阀门以切换所述第一冷却回路和所述第二冷却回路。

所述发电机构还包括温差发电器件和蓄电池；所述温差发电器件设于所述太阳能电池和所述冷却通道之间，用于利用面向所述太阳能电池的贴合面和面向所述冷却通道的贴合面之间的温差产生电能；所述太阳能电池和所述温差发电器件均与所述蓄电池连接，所述蓄电池用于存储所述太阳能电池和所述温差发电器件产生的电能。

所述温差发电器件面向所述太阳能电池的贴合面和面向所述冷却通道的贴合面均涂覆有导热硅脂，以便于所述太阳能电池热传导至所述温差发电器件，以及便于热传导至所述冷却通道的内部。

所述冷却通道的内部设有多个翅片，所述翅片用于增强所述冷却通道的换热性能。

所述的聚光太阳能发电装置还包括追踪机构，所述追踪机构包括转动单元和太阳追踪单元，所述转动单元的末端形成有固定安装所述发电机构和所述聚光机构的连接部，所述太阳追踪单元用于控制所述转动单元进行转动以使得所述聚光机构时刻正对于太阳。

所述聚光机构的太阳光接收面上设有菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的聚光倍率在100-300倍的范围内。

所述散热机构的第一水箱为环形密封结构，且固定在所述转动单元的连接部上，所述聚合光穿过所述第一水箱的环形中央区域以到达所述太阳能电池的表面。

所述控制机构还包括温度传感器和/或辐照度传感器，所述温度传感器用于检测所述太阳能电池的表面温度，所述辐照度传感器用于检测所述太阳能电池的表面辐照度；所述控制机构的控制器与所述温度传感器和/或所述辐照度传感器信号连接，所述控制器用于根据所述表面温度或所述表面辐照度控制多个所述电动阀门以切换所述第一冷却回路和所述第二冷却回路。

所述控制器在判断所述表面温度超过预设的第一值，或者判断所述表面辐照度超过预设的第二值时，控制多个所述电动阀门关闭所述第一冷却回路且开启所述第二冷却回路；反之，所述控制器控制多个所述电动阀门开启所述第一冷却回路且关闭所述第二冷却回路。

所述控制机构还包括设于所述第二冷却回路上的流速传感器，在所述控制器控制开启所述第二冷却回路时，所述控制器根据所述表面温度或所述表面辐照度控制所述第二冷却回路上的泵机功率，使得冷却水的流速与所述表面温度或所述表面辐照度呈正相关的控制关系。

本申请的有益效果是：

依据上述实施例的一种基于双回路冷却的聚光太阳能发电装置，其主要包括聚光机构、发电机构、散热机构和控制机构，其中散热机构包括冷却通道、第一水箱和第二水箱，冷却通道用于利用流过内部的冷却水吸收太阳能电池热传导至冷却通道内部的热能，第一水箱的位置高于冷却通道且与冷却通道进行管道串联以形成第一冷却回路，第二水箱与冷却通道进行管道串联以形成第二冷却回路；其中控制机构包括控制器和设于第一冷却回路和第二冷却回路上的多个电动阀门，用于控制多个电动阀门以切换第一冷却回路和第二冷却回路。第一方面，采用散热机构对发电机构产生的热能进行疏散，使得冷却水可以快速吸收太阳能电池热传导至冷却通道内部的热能，达到水冷散热的目的；第二方面，由于在散热机构中设置了第一冷却回路和第二冷却回路，使得控制机构可以自由地切换第一冷却回路和第二冷却回路，利于满足不同情形下的冷却要求；第三方面，第一冷却回路通过冷却水的静压差和密度差驱动冷却水在冷却通道内流动，第二冷却回路通过泵机驱动冷却水在冷却通道内流动，如此使得第一冷却回路适用于发热量不高的应用情形且能够降低回路运行成本，而第二冷却回路适用于发热量较高的应用情形且能够达到大散热量的应用要求；第四方面，由于控制器根据表面温度或表面辐照度控制多个电动阀门来切换第一冷却回路和第二冷却回路，使得系统趋于自动化和智能化，利于实现智能调控的应用需求；第五方面，在太阳能电池和冷却通道之间设置了温差发电器件，利于利用面向太阳能电池的贴合面和面向冷却通道的贴合面之间的温差产生电能，如此可以充分地利用装置余热能源；第六方面，由于在冷却通道内设置了翅片，能有效地增加冷却水与冷却通道的接触面积，增大换热系数，使得冷却水的对流散热能力增强，利于迅速降低太阳能电池和温差发电器件的温度，同时提高太阳能电池的光电转换效率；第七方面，本申请的聚光太阳能发电装置在运行一段时间之后会在第一水箱和第二水箱内储存一定温度的热水，存储的热水可以作为生活用水，从而能够进一步地提高系统的整体能量利用率，具备节能环保的应用效果。

附图说明

图1为本申请中基于双回路冷却的聚光太阳能发电装置的结构示意图；

图2为本申请中散热机构和控制机构的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

请参考图1，本申请公开一种基于双回路冷却的聚光太阳能发电装置，其主要包括聚光机构1、发电机构2、散热机构3和控制机构4，下面分别说明。

聚光机构1用于将接收到的太阳光汇聚成一路聚合光。常见的太阳聚光机构包括槽式平面镜聚光器、双曲面聚光器、抛物面聚光器、复合抛物面聚光器、菲涅尔透镜聚光器，这些聚光机构均能够起到太阳光汇聚成点光源或线光源的应用效果，用户可以根据实际需要而灵活地进行选择，本实施例中为达到结构简单、聚光倍数容易调节的目的，优选地使用菲涅尔透镜聚光器。

发电机构2包括太阳能电池21，太阳能电池21设于聚合光的光路上，用于将聚合光转化成电能。这里的太阳能电池21可以是单结太阳能电池或多结太阳能电池，不过为了实现更好地光电转换效果，优选地采用多结太阳能电池，比如采用三结砷化镓太阳能电池。

散热机构3包括冷却通道31、第一水箱32和第二水箱33。其中，冷却通道31的外表面上形成有平面，该平面可允许太阳能电池21固定在冷却通道31的外表面上且与外表面形成较大的接触面积，该冷却通道31用于利用流过内部的冷却水吸收太阳能电池21热传导至冷却通道31内部的热能。为了实现较优的导热效果和换热效果，冷却通道31可以采用扁平且中空的立方体结构，以及采用不锈钢等金属材料焊接而成。

在散热机构3中，第一水箱32的位置高于冷却通道31且与冷却通道31进行管道串联，从而使得第一水箱32、冷却通道31和连接的管道以形成了第一冷却回路，该第一冷却回路用于通过冷却水的静压差和密度差驱动冷却水在冷却通道31内流动。本领域的技术人员可以理解，在第一水箱32高于冷却通道31时内部的冷却水将因为重力作用而形成静压差，以及在冷却通道31内的冷却水吸收热能时将因为温度分布不均而形成密度差，最终导致冷却水在第一冷却回路中自主地进行流动，由于冷却水的流动速度较慢，所以此情况下可以起到小量热能的交换效果。

在散热机构3中，第二水箱33与冷却通道31进行管道串联，从而使得第二水箱33、冷却通道31和连接的管道形成了第二冷却回路，该第二冷却回路用于通过泵机34(如日常使用的循环泵)驱动冷却水在冷却通道31内流动。这里的第二水箱33的位置可以平齐于冷却通道31，也可以低于冷却通道31，这里不做具体限定。本领域的技术人员可以理解，通过泵机34驱动冷却水在第二冷却回路中强制性地进行流动时，可以加快冷却水的流动速度，所以此情况下可以起到大量热能的交换效果。

控制机构4包括控制器41和设于第一冷却回路和第二冷却回路上的多个电动阀门(如附图标记42、43、44、45)。其中，控制器41用于控制该些多个电动阀门的开启和关闭，以切换第一冷却回路和第二冷却回路。

进一步地，见图1，发电机构2还包括温差发电器件22。其中，温差发电器件22设于太阳能电池21和冷却通道31之间，用于利用面向太阳能电池21的贴合面和面向冷却通道31的贴合面之间的温差产生电能。温差发电器件22即为半导体温差发电片，其根据赛贝克效应原理，采用独特的薄膜技术加工制造而成。由于温差发器件属于现有技术，所以这里不再进行详细说明。

进一步地，见图1，发电机构2还包括蓄电池23，太阳能电池21和温差发电器件22均与蓄电池23连接，该蓄电池23用于存储太阳能电池21和温差发电器件22产生的电能。这里的蓄电池可以是铅酸蓄电池、锂电池，具体类型不做限制。

进一步地，温差发电器件22面向太阳能电池21的贴合面和面向冷却通道31的贴合面均涂覆有导热硅脂(图中未示意)，以便于太阳能电池21热传导至温差发电器件22，以及便于热传导至冷却通道31的内部。由于温差发电器件22面向太阳能电池21的贴合面具有较高的温度，而面向冷却通道31的贴合面具有较低的问题，使得温差发电器件可以根据这种温差产生电能。

进一步地，见图2，冷却通道31的内部设有多个翅片312，该些翅片312可以增加冷却通道31与冷却水311之间的接触面积，增大化热系数，从而能够将太阳能电池21和温差发电器件22上的热能快速地传递到冷却水311，进而增强冷却通道31的换热性能。

在本实施例中，见图1，本申请公开的聚光太阳能发电装置还包括追踪机构5，追踪机构5包括转动单元51和太阳追踪单元52，转动单元51的末端形成有固定安装发电机构2和聚光机构1的连接部，太阳追踪单元52用于控制转动单元51进行转动以使得聚光机构1时刻正对于太阳。由于太阳追踪单元52是太阳能新能源领域常用的控制部件，所以这里不再进行详细说明。

在一具体实施例中，转动单元51通过两个不同方向上的转动轴分别实现方位角转动和高度角转动，其中，执行方位角转动时可以通过第一电机511来驱动，执行高度角转动时可以通过第二电机512来驱动。此外，追踪机构5还可以包括底座53，那么转动单元51可以设置在该底座53上，使得底座53实现承重和支撑作用。

在本实施例中，聚光机构1包括固定在转动单元51的连接部上的支架11和固定在支架11上的菲涅尔透镜12，该菲涅尔透镜12形成太阳光接收面，太阳光可以经过菲涅尔透镜12后形成聚合光。为使得菲涅尔透镜12具有较优的聚光效果，这里可以限定菲涅尔透镜12的聚光倍率在100-300倍的范围内，而用户可以通过更换不同尺寸的菲涅尔透镜来调节聚光倍率，也可以将聚光倍率的参数输入至控制结构4的控制器41内，以便后期智能化控制时使用。

在本实施中，参见图1和图2，散热机构3的第一水箱32为环形密封结构，且固定在转动单元51的连接部上，这样使得聚合光穿过第一水箱32的环形中央区域以到达太阳能电池的表面。

进一步地，参见图2，控制机构4还包括温度传感器和/或辐照度传感器(如附图标记46)，该温度传感器用于检测太阳能电池21的表面温度，该辐照度传感器用于检测太阳能电池21的表面辐照度。此外，控制机构4的控制器41与温度传感器和/或辐照度传感器信号连接，该控制器41用于根据表面温度或表面辐照度控制多个电动阀门(如附图标记42、43、44、45)以切换第一冷却回路和第二冷却回路。由于温度传感器和辐照度传感器属于现有技术，所以这里不再对其进行详细说明。

在一具体实施例中，控制器41在判断表面温度超过预设的第一值(如50℃)，或者判断表面辐照度超过预设的第二值(如200kW/m²)时，控制多个电动阀门关闭第一冷却回路且开启第二冷却回路，例如控制关闭电动阀门42、45，且控制开启电动阀门43、44，以及控制开启泵机34。反之，控制器41在判断表面温度低于预设的第一值(如50℃)，或者判断表面辐照度低于预设的第二值(如200kW/m²)时，该控制器41控制多个电动阀门开启第一冷却回路且关闭第二冷却回路，例如控制开启电动阀门42、45，且控制关闭电动阀门43、44。

在另一个具体实施例中，控制器41还可以判断菲涅尔透镜12的聚光倍率(可以人为输入该聚光倍率)是否超过预设的第三值(如200倍)，如果超过第三值则控制器41控制多个电动阀门关闭第一冷却回路且开启第二冷却回路；如果未超过第三值，则控制器41控制多个电动阀门开启第一冷却回路且关闭第二冷却回路。

进一步地，见图2，控制机构4还包括设于第二冷却回路上的流速传感器47，在控制器41控制开启第二冷却回路时，控制器41根据表面温度或表面辐照度控制第二冷却回路上的泵机功率，使得冷却水的流速与表面温度或表面辐照度呈正相关的控制关系。

需要说明的是，不同流速的冷却水311流过冷却通道31时，会使得冷却通道的内侧壁(和翅片)与冷却水311的换热系数发生变化，通常流速越大，换热系数就越大，那么对冷却通道31的降温效果就越好。所以在表面温度或表面辐照度越大时，越增加34的功率，将冷却水311的流速调整至相适配的数值，这样既实现了智能调节的目的，还达到了节能环保的应用效果。

需要说明的是，本申请技术方案中的散热机构3的目的就是为了疏散热能，所以冷却通道31和第一冷却回路、第二冷却回路中的连接管道均可以不做保温措施，使得通道或管道内的冷却水超过环境温度时，会自动地通过热传导、热辐射、空气对流作用向环境内疏散热量，达到降低冷却水温度的目的。

本领域的技术人员可以理解，采用本申请提供的聚光太阳能发电装置时，可以实现一些应用优势，比如：(1)采用散热机构对发电机构产生的热能进行疏散，使得冷却水可以快速吸收太阳能电池热传导至冷却通道内部的热能，达到水冷散热的目的；(2)由于在散热机构中设置了第一冷却回路和第二冷却回路，使得控制机构可以自由地切换第一冷却回路和第二冷却回路，满足不同情形下的冷却要求，丰富了现有技术方案；(3)第一冷却回路通过冷却水的静压差和密度差驱动冷却水在冷却通道内流动，第二冷却回路通过泵机驱动冷却水在冷却通道内流动，如此使得第一冷却回路适用于发热量不高的应用情形且能够降低回路运行成本，而第二冷却回路适用于发热量较高的应用情形且能够达到大散热量的使用要求；(4)由于控制器根据表面温度或表面辐照度控制多个电动阀门来切换第一冷却回路和第二冷却回路，使得系统趋于自动化和智能化，利于实现智能调控的应用需求；(5)在太阳能电池和冷却通道之间设置了温差发电器件，利于利用面向太阳能电池的贴合面和面向冷却通道的贴合面之间的温差产生电能，如此可以充分地利用装置余热能源；(6)由于在冷却通道内设置了翅片，能有效地增加冷却水与冷却通道的接触面积，使得冷却水的对流散热能力增强，利于迅速降低太阳能电池和温差发电器件的温度，同时提高太阳能电池的光电转换效率；(7)本申请的聚光太阳能发电装置在运行一段时间之后会在第一水箱和第二水箱内储存一定温度的热水，存储的热水可以作为生活用水，从而能够进一步地提高系统的整体能量利用率，具备节能环保的应用效果。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。