基于烟囱效应的聚光光伏发电系统散热器

摘要

本发明的目的在于提供基于烟囱效应的聚光光伏发电系统散热器，包括烟囱、底板、聚光光伏发电系统、散热装置，烟囱的底部通过L型的连接部与底板相连，连接部的下端与底板相连，连接部的上端与烟囱相连，散热装置包括由翅片结构固定连接构成的六面体结构，散热装置通过连接件安装在烟囱里且位于烟囱的上部，聚光光伏发电系统包括三维黑体腔、太阳能电池板，三维黑体腔包括中部的圆柱体和两端的圆锥体，太阳能电池板渡在三维黑体腔的内表面上，三维黑体腔设置在翅片结构组成的六面体结构里。本发明能够解决现有技术自然循环冷却效果差，强制循环冷却消耗系统电能，以及新型冷却初期投资较大，成本高等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种散热器，具体地说是太阳能电池散热器。

背景技术

太阳能作为一种取之不尽的能源，具有清洁、环保的优势。据估算，陆地 表面每年接收的太阳辐射能约为58×1019KJ，约相当于1700亿吨标准煤的热 值。我国有着十分丰富的太阳能资源，全国各地年太阳辐射总量达3340～ 8400MJ/m2·a,全国年平均光照小时数为2200小时，平均太阳能电力为 1700TW·h。我国西北地区、西南地区、南方的广东省、海南省及沿海岛屿等 广大地区的太阳辐射总量很大，具有得天独厚的开发利用太阳能的优越资源条 件。太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注，尤其是可再生 能源法正式颁布和环保政策的出台，显示了国家对可再生能源发展的重视，为 太阳能光伏发电的发展提供了政策保证。

聚光光伏发电是利用聚光的形式使太阳能电池在几倍甚至几百倍光强的条 件下工作，实现在使用相同光伏电池的情况下，输出更多的电能，降低成本， 提高电池的效率，因而具有良好的应用前景。但目前聚光发电技术中，光能除 一部分转化为电能，还有一部分转化为热能，使太阳能电池温度升高，降低了 电池输出功率。因此，在聚光光伏发电中，对电池板冷却技术进行设计和改进 是聚光光伏发电技术领域的重要工作。

太阳能电池可以在-65℃～125℃之间正常工作，电池在低温下可以更好的 工作，但在给定光强下，太阳能电池的输出功率会随着工作温度的升高而降低 且呈线性递减关系，使用寿命也随之降低。当超过90℃后，效率与温度呈非线 性变化，效率急剧下降直至为零。当电池工作温度高达200℃时，电池只能工 作30min。

目前，降低太阳能电池温度的方法大体有以下几种方案：

1)自然循环冷却：自然循环冷却系统是在太阳能电池板背面加入肋片、通 道等结构对电池板进行降温，工作介质(多为空气或水)通过太阳能背面吸收 热量，以达到降温的目的，但是由于肋片和通道等结构的尺寸限制，导致其散 热效果有限，尤其是在强光照射的正午，电池板的温度往往能达到75℃以上， 严重降低了光伏电池的效率；

2)强制循环冷却：强制循环方式同1)中的方案一样也是采用加肋片、通 道等结构，不同之处是采用强制流动循环系统，有时会在电池正、背面同时进 行冷却。采用强制流动循环时，工作介质多采用空气或者透射率较高的液体， 需要增加额外的驱动动力促使工作介质流动；

3)新型冷却：主要包括热管冷却技术、微通道冷却技术、液体射流冲击冷 却技术等3种。

以上三种冷却方式，均各有利弊，自然循环冷却方式虽然设计简单，但是 冷却效果较差；强制循环冷却方式虽然冷却效果较好，但是形成强制流动循环 需要利用风机和泵，会额外消耗系统电能；新型冷却能够达到较好的冷却效果， 但是初期投资较大，成本高，商业投资价值差。因此，如何设计开发一款冷却 效果好且不需要消耗系统电能的散热器，成为本领域技术人员亟待解决的技术 问题。

发明内容

本发明的目的在于提供解决现有技术自然循环冷却效果差，强制循环冷却 消耗系统电能，以及新型冷却初期投资较大，成本高等问题的一种基于烟囱效 应的聚光光伏发电系统散热器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于烟囱效应的聚光光伏发电系统散热器，其特征是：包括烟囱、 底板、聚光光伏发电系统、散热装置，烟囱为锥形筒体结构，烟囱的底部通过 L型的连接部与底板相连，连接部的下端与底板相连，连接部的上端与烟囱相 连，烟囱的底面与底板之间留有通风间隙，所述散热装置包括由翅片结构固定 连接构成的六面体结构，六面体结构的顶面上设置中心通孔，散热装置通过连 接件安装在烟囱里且位于烟囱的上部，所述聚光光伏发电系统包括三维黑体腔、 太阳能电池板，三维黑体腔包括中部的圆柱体和两端的圆锥体，其中顶端开有 顶孔，太阳能电池板渡在三维黑体腔的内表面上，三维黑体腔设置在翅片结构 组成的六面体结构里，三维黑体腔的顶孔位置与六面体顶面的中心通孔位置相 对应。

本发明还可以包括：

1、所述烟囱的上部设置为蜂窝结构，蜂窝结构的筒面上均匀设置蜂窝孔。

2、连接件为U型结构，其开口端设置用于安装螺栓的孔，其圆弧端与烟囱 的内壁相固定。

本发明的优势在于：本发明聚光光伏发电系统散热器，首次利用烟囱效应 设计出散热装置，所谓烟囱效应是指户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或 下降，造成空气加强对流的现象；本发明的散热器，包括烟囱和由翅片结构组 成的散热装置，考虑实际天气情况，将烟囱的锥形筒体的上部成蜂窝结构，有 风时，风透过所述蜂窝孔形成横向对流，以增加散热速度，同时避免风力过大 对烟囱的结构强度造成影响；无风时，利用烟囱的抽吸作用，加大空气流通速 度，以增加散热速度，无需消耗电池板电能，就能使得聚光光伏发电系统迅速 降温，保证聚光光伏发电系统的转换功率的稳定。本发明设计科学合理，结构 简单，利用烟囱效应对传统的自然循环冷却方式进行改造，增加了聚光光伏发 电系统的散热速度，保证太阳能电池板处于较低的温度，提高光电转化效率， 且散热过程中不消耗系统电能。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明三维黑体腔结构主视图；

图4为本发明三维黑体腔结构俯视图；

图5为本发明翅片结构的上表面结构示意图；

图6为本发明环境温度随时间变化图；

图7为本发明电池板输出功率随时间变化图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～7，本发明一种基于烟囱效应的聚光光伏发电系统散热器，包括 烟囱1和底板4，所述烟囱1为锥形筒体结构，且烟囱1通过底部设置的多个 连接部12与所述底板4相连接；烟囱1的上部安装有聚光光伏发电系统，所述 聚光光伏发电系统的外侧设置有散热装置，以保证聚光光伏发电系统处于低温 状态，实现高光电转化率，所述散热装置通过均布的多个连接件7连接在所述 烟囱1的内壁上。

具体来说，如图1、2、5所示，所述散热装置包括多个翅片结构2，所述 翅片结构2固定连接成六面体结构，所述六面体结构包括四个侧面和顶面、底 面，所述四个侧面规格相同，所述顶面、底面规格相同，且顶面上设置有中心 通孔。所述翅片结构2采用金属材料制作，所述金属材料优先选用铜质材料， 因为铜质材料热传导性好，散热快，其次可选用铝质材料。所述连接件7的数 量设置为四个，连接件7通过螺栓6与所述四个侧面相连接。具体来说，所述 连接件7可设置成U型，其开口端设置有用于安装螺栓6的孔，其圆弧端与所 述烟囱1的内壁焊接固定或通过螺栓固定连接。

如图3、4所示，所述聚光光伏发电系统包括三维黑体腔3和太阳能电池板 8，所述三维黑体腔3包括中间的圆柱体和两端的圆锥体，三维黑体腔3的顶端 开有顶孔31，且所述顶孔31与所述翅片结构2的顶面上设置的中心孔对应设 置；所述太阳能电池板8具体为柔性结构，且均匀的安装在所述三维黑体腔3 的内表面上。具体来说，所述太阳能电池板8通过磁控溅射技术均匀的渡在三 维黑体腔的内表面上。

所述烟囱1上的连接部12通过螺钉5安装在所述底板4上。所述连接部 12为“L”状结构，所述“L”状结构的上端与所述烟囱1相连接，以保证烟囱 1的底面与所述底板4留有通风间隙，工作时，保证底部及外界的常温空气迅 速进入烟囱内部，并在烟囱效应的作用下，形成自下而上的流动空气，上部的 散热装置形成强制对流，使其热量快速散失。

所述烟囱1锥形筒体的上部设置为蜂窝结构，所述蜂窝结构的筒面上设有 多个均匀布置的蜂窝孔11；有风时，风透过所述蜂窝孔11形成横向对流，以 增加散热速度，同时避免风力过大对所述烟囱1的结构强度造成影响；无风时， 利用烟囱效应增强空气流通速度，以增加散热速度，保证所述聚光光伏发电系 统的功率稳定。

本发明的工作过程如下：

所述太阳能电池模板8接受太阳光照后温度升高，热量通过所述翅片结构 2组成的六面体散热装置将太阳能电池模板上的热量传导至周围空气中，空气 被加热后密度减小顺着烟囱1上升，导致烟囱1顶部的压力减小，而烟囱1底 部的温度保持不变，使得烟囱1内的底部压力大于顶部压力，形成自下而上的 压强差；烟囱1内部气体在压强差的作用下自下而上流动，且因烟囱存在锥度， 空气的流动速度逐渐增大，运动至所述太阳能电池板处后对铜质材料的翅片结 构2进行横向对流冲刷，促使热量快速排出，迅速降低太阳能电池板的温度， 使得太阳能电池板保持在较低的工作温度，以提高其光电转化效率。

该散热器利用烟囱效应设计，并且考虑天气情况，将烟囱筒体上部设计成 蜂窝结构，为了测试该模块的有效性，选取7月29日(无风)和8月2日(有 风)两天分别作为实验组和对照组，两天的环境温度和光照强度相似，如图6、 图7所示，分别为环境温度随时间变化图和电池板输出功率随时间变化图，对 比实验图线可以看出：一天中温度最高点为13时、14时，7月29日无风时环 境温度是31℃，8月2日有风时环境温度是32℃；13时、14时，7月29日无 风时电池板输出功率为6.1KW，8月2日有风时电池板输出功率为6.3KW，从两 个曲线图中可以看出，随着温度的提升，电池板吸收的太阳能增加，其电池板 输出功率随之提升；且从图7中可见，有风和无风时，电池板输出功率的两曲 线基本保持平行，且数据相差不大，表明该散热器能够有效地对太阳能光伏电 池板进行散热，使太阳能电池板保持较低的工作温度，达到聚光光伏发电系统 快速散热且不消耗系统电能目的。

本发明采用如下技术方案：

一种基于烟囱效应的聚光光伏发电系统散热器，包括烟囱和底板，所述烟 囱为锥形筒体结构，且烟囱通过底部设置的多个连接部与所述底板相连接；烟 囱的上部安装有聚光光伏发电系统，所述聚光光伏发电系统的外侧设置有散热 装置，以保证聚光光伏发电系统处于低温状态，实现高光电转化率，所述散热 装置通过均布的多个连接件连接在所述烟囱的内壁上。

散热装置包括多个翅片结构，所述翅片结构固定连接成六面体结构，所述 六面体结构包括四个侧面和顶面、底面，所述四个侧面规格相同，所述顶面、 底面规格相同，且顶面上设置有中心通孔。

翅片结构采用金属材料制作，所述金属材料包括铜质材料或铝质材料。

连接件的数量设置为四个，连接件通过螺栓与所述四个侧面相连接。

聚光光伏发电系统包括三维黑体腔和太阳能电池板，所述三维黑体腔包括 中间的圆柱体和两端的圆锥体，三维黑体腔的顶端开有顶孔；所述太阳能电池 板具体为柔性结构，且均匀的安装在所述三维黑体腔的内表面上。

烟囱上的连接部通过螺钉安装在所述底板上。

连接部为“L”状结构，所述“L”状结构的上端与所述烟囱相连接，以保 证烟囱的底面与所述底板留有通风间隙。

烟囱锥形筒体的上部设置为蜂窝结构，所述蜂窝结构的筒面上设有多个均 匀布置的蜂窝孔。