基本信息
- 项目名称：
- 光伏-温差自动控温发电装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 利用卡诺循环及传热学相关原理，并结合各种反馈控制手段，有效地控制系统温度恒定在某一范围，在稳定工况，提高电力输出的同时，增加了系统的寿命。
- 详细介绍：
- 在本作品中主要利用了三种手段来达到控制和稳定电池板温度的目的： 1、烟囱效应和散热器结合后发生的的负反馈效应，可以有效地反馈并降低冷却介质的温度，进而降低电池板温度； 2、温差发电模块驱动控制的散热风扇转速与电池板温度成正比，在温度升高时加强散热器外部的空气流动，这样就加强了散热效果； 3、精确计算控制器控制高速风扇开始强制散热的温度点，达到了不增加功耗的同时降低电池板温度。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品目的及思路： 对太阳能光伏电池的冷却循环系统进行新的设计优化，达到稳定和提高光伏电池的输出功率的同时，不增加系统的功耗的同时。 作品利用卡诺循环的相关原理设计新型太阳能强制封闭循环冷却系统。冷却介质经过电池背面携带热量后通过散热器将热量散发。散热器利用了烟囱效应，采用烟囱的结构。在电池背面贴有温差发电模块，上部主动风扇由温差发电来供给。同时在系统中加入温度采集控制器和相关结构使得系统能够及时自动的调节冷却介质的温度，以达到调节光伏电池板的温度，提高输出功率的目的。 创新点： 1、采用烟囱结构散热器在烟囱效应的驱使下，其散热效果随着散热排中冷却介质温度的升高而增强； 2、散热器中主动风扇主要是由温差发电模块驱动并控制，当电池板温度升高时温差模块发电量增加，风扇转速升高，加强散热器外部空气流动，提高散热器的效率； 3、当电池板温度过高时，控制器能够自动判断并启动附加高速风扇的方式增强冷却效果，达到强制降低温度的目的。 关键技术以及技术指标： 1） 散热器的结构设计、温差发电模块所发电能的使用方式等对系统的冷却效果都存在着一定的影响；作品中散热器采用烟囱抽气的形式，且散热器安装在烟囱上部，这样增加了烟囱上方温度，提高抽力的同时增强了系统的散热力度。 2）何种温度启动附加风扇2不对系统产生较大的影响，经过模拟计算后得到最佳值为高出环境温度26.3℃时最好，取27℃。 3）在本系统的作用下电池的温度要降低20℃，输出功率相对自然冷却太阳能光伏电池增加14.8%。
科学性、先进性
- 烟囱结构的散热器较为有效的克服了常规冷却方式中冷却介质吸收热排放到空气中的缺点，将之变成加强冷却效果的动力之一，加强了低品位热的利用， 温差发电量随着温度升高的增加量远小于温度升高时光伏电池板发电量的减少，因此常温范围内，光伏电池发电系统的温度越低输出越好。本作品以部分温差模块所发电量经过升压控制模块后作为主动风扇的驱动。而温差模块的输出与温差在一定的范围内程线性关系，因此可以使系统在一定的温度范围内波动时，降低波动的范围，让系统的输出处于一个较为稳定的范围之中，提高了电池板的发电效率，增加了电池板的寿命。 系统处于稳态时，光伏电池的收益火用为 ，为70.9W，温差模块的收益火用EX为4.3W，系统总的收益火用为75.2W，火用效率为9.4%。本作品对电池进行冷却可以控制温度不高于环境温度20℃，总效率提高1.4%，相对效率提高14.85%。且能够保证某些未知因素导致电池板温度激增或环境温度过高时，控制电池板温度在51℃以内。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无
作品所处阶段
- 实验调试阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 实物，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势 1、系统自身有两种手段能够根据温度的升高自动加强散热达到降低温度、提高输出功率的目的； 2、当温度过高时，会自动启动附加高速风机以降低温度，达到提高输出的目的，且在此过程中不会造成系统能量的额外损失。 3、相对现有的冷却技术能够巧妙的结合烟囱效应并加入自动判断控制模块，能够有效地稳定系统工况，增加寿命。 前景及市场分析 1、系统可以与高层建筑的烟囱效应结合，一方面增强了烟囱的高度，加强了烟囱中空气的流速，另一方面节省初期成本，有更好的推广价值。 2、大型的系统中，控制模块集成化、动力泵和风机可以大型化，减少重复投资成本。 经济性分析 经过计算单块电池板寿命期节省电力费用2535元，环境成本中光伏发电能够节省334元。合计本系统共计节省2869元。而设备投资约2000元，盈利869元。在不远的将来随着技术的不断提高可以实现更高的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 我们分别讨论国内外常见的三种冷却系统的研究进展。 1 自然对流冷却系统 自然对流的冷却方式多用于现在已投产发电的太阳能电池板的冷却。大多是屋顶或者墙壁上太阳能电池板的冷却，多采用空气自然对流冷却。赵春江在电池组件框架与屋顶防雨保温层之间留出一定高度的间隙来解决电池组件背面通风降温的问题；杨洪兴等采用自然冷却通风方式，在PV模块屋面设计空气通风流道，电池表面温度降低了15℃，模块电力输出提高了8.3 %[2]。研究表明当电池背面的空隙达到20～40mm时，太阳能电池板的冷却效果达到最佳。比无通道和无翅片的情况要低20℃左右，效率提高近10%。电 2 强制循环冷却系统 强制循环冷却系统可以看作是自然循环冷却系统的升级，可以较大的挖掘电池板的最大输出功率。这类结构在上世纪80年代欧美国家得到了广泛的研究，近年来我国也对该类冷却方式进行了大量的模拟和实验研究。 强制循环冷却系统以空气、水或者特殊介质作为传热工质，空气采用开放式循环，水或者其他工质多采用封闭式循环。按照循环的路程分为电池板后循环和板前后同时循环两种，后者多采用热容量大，透射率强的特殊工质。大多研究把重点放在总输出电量上，仍旧采用空气或者低沸点(多为常温沸点的介质，如乙烯、甲醇等)作为工质，它们循环的动力来源于电池板本身所发部分电量驱动的泵或风机。因此需要计算对比降低温度带来的输出电量的增加与这部分驱动所用电量增加量的大小，不是温度越低越好。 3 PV/T系统 PV/T循环冷却系统即光伏光热集热器系统。对这种系统研究起源于上世纪70年代末，其转换效率约为40%～80%，相对于单纯的太阳能光伏电池和热水器而言总的转换效率得到提高。我国近年来也对此投入了大量的研究，并得获得一定的成果。季杰等研究者将光伏光热模块作为热泵系统的蒸发器，在提高冷却循环介质的工作温度的同时也降低了电池板的工作温度。同时研究了扁盒式光伏热水一体墙系统，结果表明在合肥地区全年光电效率达到11.2%～11.4%，光热效率一般在 40 %以上，最高可接近 60 %。在夏季和冬季，采用一体墙使得室内空调负荷可减少50 %以上，效果非常明显。Harlader等通过设计烘干器和热水加热器获得约60%的总效率。Zakharchenko R等使用商用太阳能集热器，表面覆盖黑色的PVC吸热板，并与不同的光伏电池粘结，制成PV/T收集器。
