CN104811132A - 一种太阳能发电循环冷却***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能发电技术领域，具体涉及一种太阳能发电循环冷却***及其控制方法。在对PV组件表面喷淋水降温提效的过程中，循环水泵启动，水箱中的冷却水经循环水泵送入均匀分布在太阳能光伏组件上的喷头，喷淋水流过PV组件表面带走热量后流入接水槽并重新回到水箱。当水箱内水由于吸收了PV组件的热量而致使水温满足一定条件后，风机从冷却塔底部四周抽入的空气通过与水箱高温水的逆流蒸发换热将高温水中的热量带走，从而得到较低温度的水流回水箱内，以保证继续在PV组件表面喷淋低温水进行冷却。本发明太阳能发电循环冷却***及其控制方法既能够降低太阳能电池工作温度、又能解决太阳能光伏组件表面尘垢问题，从而提高了发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，具体涉及一种太阳能发电循环冷却***及其控制方法。
背景技术
我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4 kWh/m2.d以上，西藏最高达7 kWh/m2.d，资源分布为西部丰富、东部较少。而太阳能光伏发电技术作为适用于东部地区的新型太阳能利用方法，实现了能源的综合利用，有效提高了东部地区太阳能的利用率；同时因为其不消耗矿物燃料、无污染、适用安全方便等特点，日益成为太阳能应用的主要研究方向。
太阳能是一种辐射，它必须借助能量转换装置才能变成电能，而这个能量转换装置就是太阳能电池，目前市场上较为常用的是晶体硅太阳能电池。在太阳能电池光电转化的工作过程中，温度对太阳能电池的输出性能有着较大的影响。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少。在20-100℃范围，大约每升高1℃每片电池的电压将减少2mV，而光电流随温度的增加略有上升，大约每升高1℃每片电池的光电流增加1‰，或0.03mA/(℃·cm2)。在没有特别考虑电池冷却的情况下，太阳电池的工作温度可达到70℃或更高，对晶体硅太阳电池，温度每提高1℃，功率输出减少0.4~0.5%，甚至达到0.66%，而效率同比下降，绝对值降幅达到0.08%~0.1%。由此估算得到，夏季情况下太阳电池的输出功率一般将比标准状况（辐照强度为1000W/m2，电池片温度为25℃）低10%以上，效率的绝对值下降2%左右。在通风不良的情况下，输出功率的下降可能高达30%以上，效率的绝对值下降达3~4%。当前我国太阳电池片的效率水平大致范围在15%至18%之间，因而太阳电池温度效应将会严重影响太阳电池所能起到的应有作用。
近五年来，针对太阳能电池、特别是平板式太阳能组件的冷却方法主要以自然通风冷却、强制通风冷却和水冷却为主流方式，此外还有热管降温方式、红云降温方式，但是采用水作为冷却介质可以更有效地降低太阳电池的工作温度，提高电池的转换效率。目前的研究资料表明以水作为冷却介质的平板太阳能组件降温方式主要是给安装在PV/T组件背板上的流道通冷冻水来给电池板进行降温，这种背板与水不接触的换热方式属于间接对流换热，冷却效率低。
除了温度，平板太阳能光伏组件表面因在自然条件下长期使用所形成的尘垢也影响了太阳能电池的光电转化效率。现有的平板太阳能组件背板流道通冷却水降温的方式只能解决温度这一影响因素，而无法解决尘垢所带来的效率下降问题，并且从经济性和使用便捷性方面考虑，平板太阳能组件背板流道通冷却水降温的方式成本高，使用安装不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种既能够降低太阳能电池工作温度、又能解决太阳能光伏组件表面尘垢问题的太阳能发电循环冷却***及其控制方法，从而提高发电效率。
本发明的目的是这样实现的：
一种太阳能发电循环冷却***，其包括：水箱和循环水泵，所述水箱中设有冷却水；太阳能光伏板组件和接水槽，所述太阳能光伏板组件上设有喷头，所述冷却水通过所述循环水泵送入所述喷头并产生喷淋水，所述喷淋水流过所述太阳能光伏板组件表面带走热量后流入所述接水槽并重新回到所述水箱。
进一步地，所述太阳能光伏板组件由多个太阳能光伏板组成，每个所述太阳能光伏板上均设有所述喷头，所述喷头是任意方向均可调整到55°的扇形万向调节喷头。
进一步地，所述喷头产生的所述喷淋水在所述太阳能光伏板组件表面形成厚度为1mm的均匀水膜。
进一步地，所述水箱与所述循环水泵之间设有Y型过滤器。
进一步地，所述水箱与冷却塔连接，所述水箱与所述冷却塔之间设有散热泵。
一种太阳能发电循环冷却***的控制方法，水箱中设有冷却水，所述冷却水通过循环水泵送入设于太阳能光伏组件上的喷头，所述喷头产生的喷淋水流过所述太阳能光伏板组件表面带走热量后流入所述接水槽并重新回到所述水箱。
进一步地，所述太阳能光伏板组件经过一段时间的所述喷淋水降温后，所述水箱内的所述冷却水吸收了所述太阳能光伏板组件的热量而致使水温上升，当水箱水温高于环境湿球温度并满足这两者的差值大于温度差设定值时，风机立即启动，散热泵接着开启，水箱内的高温水经所述散热泵送入所述冷却塔，所述风机抽入的空气通过与所述水箱内的高温水的逆流蒸发换热将所述高温水中的热量带走，从而得到较低温度的水流回所述水箱内，以保证所述冷却水达到设定的冷却温度。
进一步地，当所述太阳能光伏板组件的工作温度超出设定值时，启动所述循环水泵产生所述喷淋水来降温，所述太阳能光伏板组件的工作温度下降，所述水箱中的所述冷却水水温升高，若所述水箱水温低于所述环境湿球温度则不启动所述冷却塔，直接用循环水喷淋所述太阳能光伏板组件的表面进行降温。
进一步地，所述太阳能光伏板组件由多个太阳能光伏板组成，每个所述太阳能光伏板上均设有所述喷头喷淋水，所述喷头是任意方向均可调整到55°的扇形万向调节喷头。
进一步地，使用量筒和电子秤，在设定的时间间隔内对所述喷头喷出的水量进行称重，准确调节所述喷头喷出的水流量，保证总量一定的前提下所述太阳能光伏板组件表面的水流均匀。
本发明具有冷却装置结构简单、易于组装或拆卸、循环水设计节省水资源、表面喷淋水降温又除尘等优点；第一次提出了以PV组件工作温度为着手点的控制策略并辅以基础理论计算，控制精准完善。光伏发电循环水冷却***及其控制方法多方位高效地解决了太阳能电池因工作温度高、表面堆积尘垢而使光电转化效率严重降低的问题。
附图说明
图 1为太阳能发电循环冷却***及其控制方法原理图；
1闸阀 2 Y型过滤器 3循环水泵 4软接 5压力表 6截止阀 7喷头 8水管
9太阳能光伏板组件 10接水槽 11散热泵 12止回阀 13风机 14喷淋装置 15冷却塔 16自来水补水管 17浮球阀 18水箱 19换水管。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明进行详细说明。
如图1所示，太阳能发电循环冷却***包括：水箱18和循环水泵3，水箱18中设有冷却水；太阳能光伏板组件9和接水槽10，太阳能光伏板组件9上设有喷头7，冷却水依次经过闸阀1，Y型过滤器2的作用是过滤掉水中的杂质颗粒物，后通过循环水泵3、软接4再经截止阀6送入喷头7并产生喷淋水，在循环水泵3与喷头7之间还设有压力表5以实时观察水流压力。喷头7产生的喷淋水流过太阳能光伏板组件9的表面带走热量后流入接水槽10并重新回到水箱18。
其中太阳能光伏板组件9由多个太阳能光伏板组成，每个太阳能光伏板上均设有均匀分布的喷头7，喷头7是任意方向均可调整到55°的扇形万向调节喷头。在整个喷淋水冷却的过程中，太阳能光伏板组件9表面水膜的厚度也直接影响到了降温的效果，水膜太厚则水的折射会影响PV组件对太阳辐射的吸收，水膜太薄则影响PV组件的降温效果，经过对不同水膜厚度的实验，1mm为最佳水膜厚度。因此采用四个经过特殊设计的扇形万向调向喷头喷水。为确保电池板表面形成厚度为1mm的均匀水膜，需使用量筒和电子秤，在设定的时间间隔内对每个喷头喷出的水量进行称重，准确调节各喷头喷出的水流量，保证总量一定的前提下电池板表面水流均匀，降温的同时又有效避免了电池板表面尘垢的堆积。
经过一段时间喷淋水降温后，水箱18内水由于吸收了PV组件的热量而致使水温上升，当水箱水温t2高于环境湿球温度t1并满足△t1大于温度差设定值△t1S，风机13立即启动，设于水箱18与冷却塔15之间的散热泵11接着开启，水箱18内的高温水流过闸阀等阀门后经散热泵11送入冷却塔15，散热泵11与冷却塔15之间设有止回阀12以防水流回流。风机13从底部四周抽入的空气通过与水箱18流出的高温水的逆流蒸发换热将该高温水中的热量带走，从而得到较低温度的水流回水箱18内，以保证继续在PV组件表面喷淋温度较低的冷却水进行冷却。水箱18内水由于蒸发会有所减少，因此当水箱18内水位低于设定高度后，利用浮球阀17和自来水补水管16自动控制进行补水。水箱内水通过换水管19定期更换。
本发明太阳能发电循环冷却***的具体运行方式为：当在太阳光资源充足时，开启太阳能光伏（PV）组件9进行光电转换，照射到光伏电池板表面的太阳辐射能的80%能量并未转化为电能，而是转化为热能，因此PV组件9的工作温度随着照射强度的增强而不断升高，当PV组件9的工作温度t3超出设定值tS时，启动循环水泵3对PV组件9表面喷水降温，水箱18中的冷却水依次经过闸阀1，借助Y型过滤器2过滤掉水中的杂质颗粒物后经循环水泵3通过水管8送入均匀分布在太阳能光伏组件9上部的喷头7，喷淋水流过PV组件9表面带走热量后流入接水槽10并重新回到水箱18。
经过一段时间喷淋水降温后，水箱内水由于吸收了PV组件的热量而致使水温上升，当水箱水温t2高于环境湿球温度t1并满足△t1大于温度差设定值△t1S，风机立即启动，冷却水散热泵接着开启，水箱内高温水流过闸阀等阀门后经散热泵送入冷却塔，风机从底部四周抽入的空气通过与水箱高温水的逆流蒸发换热将高温水中的热量带走，从而得到较低温度的水流回水箱内，以保证继续在PV组件表面喷淋低温水进行冷却。水箱内水由于蒸发会有所减少，因此当水箱内水位低于设定高度后，利用浮球阀自动控制进行补水。所述的表面循环水降温装置是一块太阳能光伏板上采用四个经过特殊设计的扇形万向调向喷头（任意方向皆可调整到55度）喷淋水，降低工作温度，提高太阳能电池的光电转化效率。
本发明以PV组件工作温度为着手点设计控制策略并辅以基础理论计算，根据能量守恒原理，考虑光伏组件正反两面的对流换热和辐射换热，得到太阳能电池组件温度T的理论工作温度的计算式：
，该式正是控制策略中PV组件工作温度(t3)的理论模型计算式，为太阳能光伏组件传热过程计算提供了理论依据。
本发明控制策略需时时监测环境湿球温度（t1）、水箱水温（t2）、PV组件工作温度（t3），计算水箱水温（t2）与环境湿球温度（t1）的温度差△t1、PV组件工作温度（t3）与水箱水温（t2）的温度差△t2，以PV组件工作温度为着手点设计控制策略，当PV组件工作温度t3超出设定值tS时，启动循环水泵喷水降温，PV组件工作温度下降，水箱水温升高，若水箱水温t2低于环境湿球温度t1，则不启动冷却塔，直接用循环水喷淋PV组件表面进行降温，若水箱水温t2高于环境湿球温度t1并满足△t1大于温度差设定值△t1S ，启动冷却塔对水箱高温水进行散热，继续在PV组件表面喷淋水进行冷却，从而使太阳能电池保持在最高效的工作温度。
本发明具有冷却装置结构简单、易于组装或拆卸、循环水设计节省水资源、表面喷淋水降温又除尘等优点；第一次提出了以PV组件工作温度为着手点的控制策略并辅以基础理论计算，控制精准完善，多方位高效地解决了太阳能电池因工作温度高、表面堆积尘垢而使光电转化效率严重降低的问题。
Claims (10)
1.一种太阳能发电循环冷却***，其特征在于包括：
水箱和循环水泵，所述水箱中设有冷却水；
太阳能光伏板组件和接水槽，所述太阳能光伏板组件上设有喷头，所述冷却水通过所述循环水泵送入所述喷头并产生喷淋水，所述喷淋水流过所述太阳能光伏板组件表面带走热量后流入所述接水槽并重新回到所述水箱。
2.如权利要求1所述的太阳能发电循环冷却***，其特征在于，所述太阳能光伏板组件由多个太阳能光伏板组成，每个所述太阳能光伏板上均设有所述喷头，所述喷头是任意方向均可调整到55°的扇形万向调节喷头。
3.如权利要求1或2所述的太阳能发电循环冷却***，其特征在于，所述喷头产生的所述喷淋水在所述太阳能光伏板组件表面形成厚度为1mm的均匀水膜。
4.如权利要求1或2所述的太阳能发电循环冷却***，其特征在于，所述水箱与所述循环水泵之间设有Y型过滤器。
5.如权利要求1或2所述的太阳能发电循环冷却***，其特征在于，所述水箱与冷却塔连接，所述水箱与所述冷却塔之间设有散热泵。
6.一种太阳能发电循环冷却***的控制方法，其特征在于，水箱中设有冷却水，所述冷却水通过循环水泵送入设于太阳能光伏组件上的喷头，所述喷头产生的喷淋水流过所述太阳能光伏板组件表面带走热量后流入所述接水槽并重新回到所述水箱。
7.如权利要求6所述的太阳能发电循环冷却***的控制方法，其特征在于，所述太阳能光伏板组件经过一段时间的所述喷淋水降温后，所述水箱内的所述冷却水吸收了所述太阳能光伏板组件的热量而致使水温上升，当水箱水温高于环境湿球温度并满足这两者的差值大于温度差设定值时，风机立即启动，散热泵接着开启，水箱内的高温水经所述散热泵送入所述冷却塔，所述风机抽入的空气通过与所述水箱内的高温水的逆流蒸发换热将所述高温水中的热量带走，从而得到较低温度的水流回所述水箱内，以保证所述冷却水达到设定的冷却温度。
8.如权利要求6或7所述的太阳能发电循环冷却***的控制方法，其特征在于，当所述太阳能光伏板组件的工作温度超出设定值时，启动所述循环水泵产生所述喷淋水来降温，所述太阳能光伏板组件的工作温度下降，所述水箱中的所述冷却水水温升高，若所述水箱水温低于所述环境湿球温度则不启动所述冷却塔，直接用循环水喷淋所述太阳能光伏板组件的表面进行降温。
9.如权利要求6或7所述的太阳能发电循环冷却***的控制方法，其特征在于，所述太阳能光伏板组件由多个太阳能光伏板组成，每个所述太阳能光伏板上均设有所述喷头喷淋水，所述喷头是任意方向均可调整到55°的扇形万向调节喷头。
10.如权利要求6或7所述的太阳能发电循环冷却***的控制方法，其特征在于，使用量筒和电子秤，在设定的时间间隔内对所述喷头喷出的水量进行称重，准确调节所述喷头喷出的水流量，保证总量一定的前提下所述太阳能光伏板组件表面的水流均匀。
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