具有非均匀冷却的光伏电池的光伏系统技术方案

描述了光伏系统(1)和相关系统以及用于冷却这种光伏系统(1)的方法。该光伏系统(1)包括并排布置的光伏电池(10)，以形成光伏电池(10)的阵列(5)。它还包括冷却装置(20)，该冷却装置包括一个或多个层(21‑23)，其中这些层(21‑23)与光伏电池(10)的阵列(5)相对地延伸并与其热连通，以便在操作中冷却电池(10)。构造一个或多个层(21‑23)使得光伏系统(1)的热阻在光伏电池(10)的阵列(5)上变化，以便在操作中以不同的热移除速率从阵列(5)的光伏电池(10)移除热量。

Photovoltaic System of Photovoltaic Cells with Non-uniform Cooling

The photovoltaic system (1) and related systems as well as the method for cooling the photovoltaic system (1) are described. The photovoltaic system (1) includes photovoltaic cells (10) arranged side by side to form an array (5) of photovoltaic cells (10). It also includes a cooling device (20), which includes one or more layers (21 23), in which these layers (21 23) extend relative to the array (5) of the photovoltaic cell (10) and are thermally connected to it in order to cool the cell (10) in operation. One or more layers (21 23) are constructed so that the thermal resistance of the photovoltaic system (1) varies over the array (5) of the photovoltaic cell (10) in order to remove heat from the photovoltaic cell (10) of the array (5) at different heat removal rates in operation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有非均匀冷却的光伏电池的光伏系统
本专利技术一般涉及冷却的光伏系统领域，更具体地涉及具有并排布置的光伏电池以形成光伏电池阵列的光伏系统，并且还涉及用于冷却这种光伏系统的方法。
技术介绍
在整个说明书中假设以下定义。光伏(PV)描述了通过具有光伏效应的半导体将太阳辐射转换成直流电来产生电能。光伏电池(或PV电池，也称为“太阳能电池”或“光电电池”)是固态装置，其通过光伏效应将光能直接转换成电能。光伏阵列或模块(也称为“太阳能模块”，“太阳能电池板”或“光伏板”)是连接的光伏电池的组件。光伏系统通常包括至少一个光伏电池模块，逆变器和互连线路。热收集器(也称为“太阳能集热器”)通过吸收辐射，通常是太阳辐射，来收集热量。热交换器或热耦合器是有效地将热量从一种介质传递到另一种介质的装置或设备。散热器是热交换器，其用于通过将热量从装置散发到另一介质中来冷却装置(例如光伏电池阵列)。集中的太阳能(也称为“聚光太阳能”或CSP)系统使用镜子或透镜将大面积的辐射通量集中到小区域上，使得当集中的光转换为热时可以产生电功率(也称为“功率”)，其驱动连接到发电机的热力发动机(例如，蒸汽轮机)。常见的聚光形式是抛物槽、碟形、聚光线形菲涅耳反射器和太阳能塔。聚光光伏(CPV)系统使用光学器件(例如，透镜)将大量太阳光聚集到小面积的光伏材料上以发电。聚光允许使用较小面积的太阳能电池。CPV不应与CSP混淆。在CSP中，浓缩的太阳光转化为热量，然后热量转化为电能。相反，在CPV中，使用光伏效应将聚集的太阳光直接转换为电。光伏热混合太阳能收集器(也称为“混合PV/T系统”或PVT)是将太阳辐射转换成热能和电能的系统。这种系统将把光子转换成电能的光伏电池与太阳能集热器相结合，太阳能集热器通过从PV模块移除热量来捕获剩余的能量。通常已知两类PVT收集器，即PV/T流体收集器和PV/T聚光器。在PV/T流体收集器(空气或液体)中，其通常是水冷的，通常由导热金属管道或附接到PV模块背面的板制成。工作流体通常是水或水-乙二醇混合物。来自PV电池的热量通过金属传导并被工作流体吸收，这假设工作流体比电池的工作温度更冷。在闭环系统中，这种热量或者被排放到环境中或者在热交换器处传递，在热交换器中，热量流到其应用中以供进一步使用。在开环系统中，在拒绝或进一步使用热量之后，工作流体不再循环到PV电池。在PV/T聚光器(CPVT)中，提供聚光系统以减少所需的太阳能电池的量。与平坦的PV/T收集器相比，CPVT可以达到每单位PV电池面积非常好的太阳能热产率。然而，CPVT的主要障碍是提供足够的太阳能电池冷却和耐用的跟踪系统。与其他能源相比，PV系统的缺点是直接太阳辐射的间歇性质。这导致间歇性的电力输送，其价值远低于按需电力并且可能导致电网不稳定。在例如电池中存储电能是非常昂贵的，因此用于全天生产的存储电池的成本可能比太阳能电站的成本更高。聚光式太阳能系统(CSP)可以存储收集的热量并按需产生电力，直到储存的热量消散。聚光式光伏(CPV)发电厂比PV和CSP系统具有更高的转换效率。尽管如此，CPV系统还是会间歇性地发电。另外，它们的效率取决于构成阵列或模块的PV电池的性能，以及用于冷却PV电池的冷却系统的性能。由于增加了热量的使用，聚光式光伏热(CPVT)系统具有更高的系统效率。CPV系统旨在实现PV电池上的高几何太阳辐照度集中，通常类似于500-3000个太阳。这种聚集通常通过刻面镜实现，将光聚焦在一个焦平面上。但是，镜像拓扑结构永远不会完美。各个反射镜的变焦点和接收缝隙导致焦平面上的非均匀照射图案。因此，可以使用光学混合器，其旨在使照射图案均匀化。然而，这降低了聚集效率。圆形照明图案的一个例子如图3A所示。均匀照射图案的一个例子如图4A所示。使用颜色等高线图，并且在每种情况下示出相应的3D图。CPV系统中使用的聚光光学器件通常导致PV电池表面上的不均匀照明。更均匀的照明将以降低效率为代价，因为需要集成更多的光学元件。为了降低封装和冷却成本，PV电池阵列(并排放置)有时设计有共同的支撑结构，其提供电互连和冷却。然而，在该配置中，阵列中的PV电池暴露于不同的照明，因此表现出不同的电输出特性。为了使每个PV电池具有相同的电输出，若干CPV解决方案依赖于将单个光学元件与单个PV电池(点聚焦系统)配对。与点聚焦系统相比，密集阵列系统使用密集的PV电池，每个聚光元件包含几个电池。因此，这种解决方案可以提供成本优势。在密集阵列系统中，热量产生可能高于点聚焦系统，因为每个电池的表面积较小，不能散热。通过适当的热管理，密集阵列系统中产生的热量可用于多联产(即，产生电力，热量和其他资源，例如饮用水或空调)，从而改善整体系统的成本-性能。已经设计了有效的冷却装置，例如在WO2013/144750A1中描述的冷却装置，其中冷却装置提供非常低且在大面积上均匀的热阻，PV电池可以附接到该热阻上。这种冷却装置提供了将PV电池温度保持在所需阈值以下的手段，即使在高聚集的太阳辐射下也是如此。此外，由于其低热阻，该冷却装置允许产生的热量在高温下回收，这进一步允许利用多联产。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术的一个或多个实施例体现为光伏(PV)系统。该系统包括并排布置的光伏(PV)电池，以形成PV电池阵列。它还包括冷却装置，该冷却装置包括一个或多个层，其中这些层与PV电池阵列相对地延伸并与其热连通，以便在操作中冷却电池。一个或多个层被构造成使得PV系统的热阻在PV电池阵列上，即在与阵列的平均平面平行的平面中，变化，以便在运行中使用不同的散热率从阵列的PV电池移除热量。上述解决方案使得可以调节PV电池阵列上的温度，因此可以用于降低每个PV电池在最大功率点(或MPP)的输出特性的不均匀性，例如电压(VMPP)和电流(IMPP)。特别地，如下面详细讨论的，可以利用该特性来允许减小输出电压上的扩展(或VMPP扩展)，并且可能最小化。降低VMPP扩散导致增加最小VMPP，这在电池并联连接时特别有利。这反过来又提高了系统的能量效率。本专利技术的解决方案尤其可用于在CPV，CPVT或混合PV/T系统中的PV电池的密集阵列。在一个或多个实施例中，一个或多个层被构造成允许热阻根据阵列的PV电池的预定照射分布(profile)在PV电池阵列上变化。特别地，PV系统可以是CPV系统，被配置为在操作中将光会聚到PV电池阵列的区域上，从而产生电池的不均匀照射分布。因此，可以构造一个或多个层，以使热阻根据非均匀照射分布在PV电池阵列上的变化。PV电池可以是多结PV电池。在一个或多个实施方案中，构造一个或多个层以使热阻在0.05至0.7cm2K/W的范围内变化，以最好地适应阵列的不同电池之间的各种热移除速率。例如，在阵列的对应的两个给定PV电池(例如，在阵列中经受显著不同照射的电池)的位置处的系统的平均局部热阻的差异可以大于0.1cm2K/W，或者，甚至大于0.2cm2K/W。在一个或多个实施例中，如上所述，设计热阻以便限制MPP处的电池的电压扩散，其中阵列的每个PV电池的(个体)MPP电压的最大差异在操作中小于0.2V。这种限制已经在实践中为系统带来了良好的性能。然而，如果在操作中进一步减小最大差值，例如小于0.1V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光伏系统，包括：光伏电池，并排排列以形成光伏电池阵列；以及冷却装置，包括一个或多个层，与所述光伏电池阵列相对地延伸并与其热连通，其中所述冷却装置配置成在操作中冷却所述电池；其中，所述一个或多个层被配置成使得所述光伏系统的热阻在所述光伏电池阵列上变化，以便在操作中以不同的热移除速率从所述阵列的光伏电池移除热量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.12 US 15/096,6471.一种光伏系统，包括：光伏电池，并排排列以形成光伏电池阵列；以及冷却装置，包括一个或多个层，与所述光伏电池阵列相对地延伸并与其热连通，其中所述冷却装置配置成在操作中冷却所述电池；其中，所述一个或多个层被配置成使得所述光伏系统的热阻在所述光伏电池阵列上变化，以便在操作中以不同的热移除速率从所述阵列的光伏电池移除热量。2.根据权利要求1所述的光伏系统，其中：所述一个或多个层被配置成使得所述热阻根据所述阵列的所述光伏电池的预定照射分布在所述光伏电池阵列上变化。3.根据权利要求1或2所述的光伏系统，其中：配置一个或多个层使得所述热阻在0.05至0.7cm2K/W的范围内变化。4.根据权利要求3所述的光伏系统，其中：在对应于所述阵列的两个光伏电池的位置处所述系统的平均局部热阻差异大于0.1cm2K/W。5.根据权利要求4所述的光伏系统，其中：平均局部热阻的差异大于0.2cm2K/W。6.根据权利要求1所述的光伏系统，其中：所述热阻足以将电池的电压扩展限制在最大功率点，使得所述阵列中每个光伏电池的最大功率点处的电压的最大差异在操作中小于0.2V。7.根据权利要求6所述的光伏系统，其中：所述最大差值在操作中小于0.1V。8.根据权利要求1-7之一所述的光伏系统，其中：至少一些光伏电池在所述阵列中并联电连接。9.根据权利要求1-8之一所述的光伏系统，其中：所述系统是一个集中的光伏系统，配置成在操作中将光聚集到所述光伏电池阵列的一个区域上，产生非均匀的电池照射分布；以及一个或多个层被配置成使得所述热阻根据所述非均匀照射分布在所述光伏电池阵列上变化。10.根据权利要求9所述的光伏系统，其中：所述电池是多结光伏电池。11.根据权利要求1-10之一所述的光伏系统，其中：所述一个或多个层包括至少一个层，其具有非均匀的孔口或结构图案，以允许通过所述孔口或结构进行非均匀的热交换，并且进而在所述阵列的不同的光伏电池处以不同的散热率移除热量。12.根据权利要求11的所述光伏系统，其中：所述至少一个层表现出孔口或结构的局部密度和/或尺寸，其在相对于阵列中心的位置处比相对于阵列的相应的外部部分的一个或多个位置处更大。13.根据权利要求11或12所述的光伏系统，其中：所述一层或多层包括至少两层，所述层具有不...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·罗特施尔，B·米歇尔，S·帕雷德斯，P·鲁赫，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US