CN102025260A - 地热加热与冷却管理*** - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种地热加热与冷却管理***。其中，本申请提供一种用于外壳(65)内的太阳能电力转换***(40)的地热加热与冷却***(100)。该地热加热与冷却***(100)可包括：热交换器(140)，其位于所述电力交换***(40)附近且在所述外壳(65)内；一个或多个管道(110)，其位于地(120)内；以及，传热介质(150)，其在所述热交换器(140)和所述管道(110)内循环以便在所述电力转换***(40)与所述地(120)之间传热。

Description

地热加热与冷却管理***
技术领域
本申请大体而言涉及室外电力转换设备(power conversion equipment)和相关构件的热学管理，且更特定而言，涉及地热冷却与加热***在太阳能电力转换***的使用。
背景技术
在发电装置附近安装并定位的电力转换设备变得越来越普遍。实例包括太阳能电力转换器与电网级传输***。电力转换设备可用于将来自诸如燃料电池或光伏电池这样的直流(“DC”)电源的电力转换到电网。安装于室外的电力转换设备也可通过提供有效功率或无功功率，以及将交流电转换成直流电和将直流电转换成交流电而使交流(“AC”)传输***稳定以用于电力传输目的。电力转换***也可安装于不利的室外条件中以便控制电机，诸如在油气应用中的压缩机或泵。
电力转换***大体上需要恒定的热学管理。这种管理可具有挑战性，因为(除了其它原因)室外电力转换设备通常向极端冷、显著的太阳能加热和/或灰尘环境暴露，其可需要用于冷却敏感电子器件的任何空气流动的大量过滤。热学管理也可取决于实际安装条件。举例而言，海拔可影响空气密度，而空气密度影响常规热学管理***的冷却容量。冷却介质的最大入口温度和流动条件可决定所转移的最大功率和/或对于给定功率级的反相器和类似电力转换构件的成本和尺寸。另外，在启动和其它条件下在较冷环境和类似环境中也可需要对电力转换构件进行预热。
现有电力转换设备通常可安装于空调外壳(air conditioned enclosure)中，空调外壳也可提供防灰尘粒子的保护。由电力转换过程所生成的热可通过电力转换柜中的开口耗散到空调环境中。过量热可由液体冷却***耗散到外壳外部。每个电力转换器也可包括预热元件，诸如电阻加热器，以使电力转换设备在冷天处于操作温度范围内。但操作这些加热和冷却***所需的功率可较大且会降低电力转换***的效率。现有电力转换设备也可使用特殊的过滤器以便防止灰尘粒子侵入到敏感电子区域中。这些加热与冷却***的维护和维修也会在整体上影响太阳能阵列的输出和效率以及相关联的操作成本。
在风力涡轮内已使用某些类型的地热冷却设备，包括电力转换设备。但风力涡轮塔架或机舱通常提供外壳的替代使得电力转换设备并不完全向太阳能辐射、灰尘粒子或其它环境应激源暴露。在电力转换过程中所生成的热可因此加入到风力涡轮塔架内使得电力转换设备无须完全封闭。
因此需要整合到电力转换***内的改进的加热与冷却***。这种加热与冷却***可减轻加热或冷却容量对周围条件的依赖性且降低所转换的每瓦功率的安装成本，降低操作与维护成本，且改进***的总效率和性能。
发明内容
本申请因此提供一种用于外壳内的电力转换***的地热加热与冷却***。地热加热与冷却***可包括：热交换器，其位于电力转换***附近和外壳内；位于地内的一或多个管道；以及，传热介质，其在热交换器和管道内循环以便在电力转换***与地之间传热。
本申请还提供一种利用地热加热与冷却***对太阳能电力转换***进行热控制的方法。该方法可包括以下步骤：提供与太阳能电力转换***连通(in communication with)的地热加热与冷却***的热交换器；提供在地中且与热交换器连通的一个或多个管道；以及，在热交换器与管道之间循环传热介质以便在太阳能电力转换***与地之间传热。
本申请还提供一种太阳能发电***。太阳能发电***可包括：与光伏阵列连通的太阳能电力转换***；位于太阳能电力转换***附近的热交换器；位于地内的一或多个管道；以及，在热交换器和一个或多个管道内循环以便在太阳能电力转换***与地之间传热的传热介质。
对于本领域技术人员而言，当结合若干附图和所附权利要求考虑以下详细说明时，本申请的这些和其它特点和改进将会变得明显。
附图说明
图1是作为太阳能发电***的部分的电力转换***的构件的示意图。
图2是如本文所述且可用于图1所示的太阳能发电***的地热冷却与加热***的示意图。
元件符号列表：
10    太阳能发电***
20    光伏阵列
30    光伏电池
40    电力转换***
50    直流至直流转换器
60    直流至交流反相器
65    外壳
70    电网
80    热学管理***
90    热交换器
95    加热器
100   地热冷却与加热***
110   管道
120   地
130   热学管理***
140    热交换器
150    传热介质
160    泵
具体实施方式
现参看附图，在若干附图中相同标号指代相同元件，图1示出已知的太阳能发电***10。太阳能发电***10可包括一个或多个光伏阵列20。光伏阵列20各可具有以任何所需大小和/或配置的任意多个光伏电池30。如上文所述，光伏阵列20的光伏电池30基于当地天气和其它操作条件产生可变的直流电。
太阳能发电***10还包括电力转换***40。电力转换***40包括将来自光伏阵列20的直流电转换成交流电所需的构件。在此实例中，电力转换***40可包括直流至直流转换器50。直流至直流转换器50可结合到光伏阵列20以便调整直流电。直流至直流转换器50可包括开关型调节器以便使用脉冲宽度调制控制形式和其它类型的装置调节直流电压。直流至直流转换器50也可包括电力转换器，或者升压转换器，其可通过操作以将直流电从第一电压升压到第二电压等。在本文中也可使用其它配置。
电力转换***40还可包括直流至交流反相器60。直流至交流反相器60可将直流至直流转换器50所产生的相对稳定的直流电转换成交流电。举例而言，直流至交流反相器60可提供以60赫兹正弦波形式和类似形式的交流电。在本文中也可使用其它类型的输出和配置。
电力转换***40可容纳于外壳65中。外壳65可大致为气密的和/或密闭的以便排除周围空气流动和相关联的过滤工作。
因此，太阳能发电***10向电网70、其它类型的负载提供交流电，或者可根据需要为其它情况。在本文中可使用其它配置。
太阳能发电***10还可包括热学管理***80。热学管理***80可包括位于外壳65内的一个或多个热交换器90。热交换器90可为液体对空气交换器，液体对液体交换器，和/或其它类型的配置和装置。热交换器90用于以上文所述的常规方式(地上)从电力转换***40的构件移除热。在本文中可使用其它类型的冷却***。
热学管理***80还可包括位于电力转换***40附近的一个或多个加热器95以加热其中的构件。加热器95可为电阻型装置或其它类型的加热装置。或者，热学管理***80也可使用热交换器90以便提供热。在本文中也可使用其它类型的加热***。热学管理***80可由全部太阳能发电***或者相反地由外部源加电。
图2示出本文所述的地热冷却与加热***100。地热冷却与加热***100可用于在上文中大致描述的太阳能发电***10和/或用于相似类型的构件。具体而言，太阳能发电***10可包括与外壳65内的电力转换***40连通的光伏阵列20。外壳65可大致为气密的和/或密闭的。因此太阳能发电***10可如上文所述那样向电网70提供交流电。
地热冷却与加热***100可包括多个管道110。管道110可大部分埋在地120中的沟渠或类似物中使得地120充当热源或散热器。管道110可排列成闭环场，开环场，水平闭环场、竖直闭环场、曲线的(slinky)闭环场或任何需要的配置。管道110也可位于水源内以便使用水源作为热源或散热器。管道110可具有任何长度、直径和配置。可使用任意多个管道110。管道110可延伸到地120内大约十(10)英尺(大约三(3)米)处，但可使用低于冻结线下方的任何深度。地热***100的一组管道110可用于若干太阳能发电***10、电力转换***40等。
地热***100还可包括热学管理***130。热学管理***130可大致类似于上文所述的热学管理***80和相似***。热学管理***130可位于外壳65内且在太阳能发电***10的电力转换***40附近以便与之进行热交换。热学管理***130可包括与管道110连通的热交换器140。热交换器140可为液体对空气交换器、液体对液体交换器和/或其它类型的配置和装置。热交换器140可呈冷板、一系列盘管或其任何需要配置或组合的形式。
地热***100可包括通过管道110和热交换器140的传热介质150。传热介质可为离子水、去离子水、防冻剂、油、或者任何需要的介质。传热介质150可为导电的或不导电的。传热介质150可经由泵160或者类似类型的流体移动装置泵送通过管道110和热交换器140。
在使用中，地120的上部十(10)英尺(大约三(3)米)维持在大约50华氏度与60华氏度(大约10摄氏度至16摄氏度)之间几乎恒定的温度且可取决于表面上的天气条件用作热源或散热器。因此，传热介质150可被泵送通过地120中的管道110和通过位于电力转换***40附近的热交换器140。因此当地120比表面和/或构件更冷时，地热***100可将电力转换***40所生成的热传到地120。换言之，由外壳65内的直流至直流转换器50、直流至交流反相器60和其它类型的转换构件(诸如半导体、感应器、电容器等)所生成的热可传到地120，热可在地120中在管道110内耗散。同样，当地120比表面和/或构件更热时，也可向电力转换***40提供加热。
因此，地热***100可向电力转换***40和太阳能发电***10的其它构件提供恒定的流入温度，与环境条件无关。因此，可避免从前用于较大温度变化的冷却与加热设备90、95以及相关联的操作与维护成本。因此总的太阳能发电***10可被设计用于较窄温度范围以便进一步最小化成本。
尽管在太阳能发电***10的情形下描述了地热***100，但是该***100可适用于电池存储应用、发电机应用、燃料电池应用、高电压直流传输***、变速驱动等。具体而言，地热***100可用于任何太阳能应用和其中电力转换***和其它***可被封闭和/或不与外部环境接触的任何其它应用。
显然，前文的描述仅涉及本申请的某些实施例，且在不偏离所附的权利要求和其等效物所限定的本发明的总体精神和范围的情况下可由本领域技术人员做出多种变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于外壳(65)内的电力转换***(40)的地热加热与冷却***(100)，包括：
热交换器(140)，位于所述电力转换***(40)附近且在所述外壳(65)内；
位于地(120)内的一个或多个管道(110)；以及
传热介质(150)，在所述热交换器(140)和所述一个或多个管道(110)内循环以便在所述电力转换***(40)与所述地(120)之间传热。
2.如权利要求1所述的地热加热与冷却***(100)，其特征在于，所述一个或多个管道(110)延伸到所述地(120)内大约十英尺(大约三米)处。
3.如权利要求1所述的地热加热与冷却***(100)，其特征在于，所述传热介质(150)包括离子水、去离子水、防冻剂和/或油。
4.如权利要求1所述的地热加热与冷却***(100)，其特征在于还包括与所述传热介质(150)连通的泵(160)。
5.如权利要求1所述的地热加热与冷却***(100)，其特征在于，所述电力转换***(40)包括反相器(60)，且所述热交换器(140)位于所述反相器(60)附近以与之进行传热。
6.如权利要求1所述的地热加热与冷却***(100)，其特征在于，所述一个或多个管道(110)与多个热交换器(140)连通。
7.如权利要求1所述的地热加热与冷却***(100)，其特征在于，所述地(120)包括散热器且所述电力转换***(40)包括热源。
8.如权利要求1所述的地热加热与冷却***(100)，其特征在于，所述地(120)包括热源且所述电力转换***(40)包括散热器。
9.如权利要求1所述的地热加热与冷却***(100)，其特征在于，所述外壳(65)包括气密外壳(65)。
10.一种利用地热加热与冷却***(100)对太阳能电力转换***(40)进行热控制的方法，包括：
提供与所述太阳能电力转换***(40)连通的所述地热加热与冷却***(100)的热交换器(140)；
提供在所述地(120)中且与所述热交换器(140)连通的一个或多个管道(110)；以及
使传热介质(150)在所述热交换器(140)与所述一个或多个管道(110)之间循环以便在所述太阳能电力转换***(40)与所述地(120)之间传热。
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