一种三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统

技术领域

本发明涉及太阳能光伏领域和余热利用与热能存储领域，具体为一种用于聚光光伏散热和热能回收的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统。

背景技术

随着目前社会经济的高速发展，能源危机问题日益出现，可持续能源和清洁能源的高效利用成为目前大家关注的重点。太阳能资源取之不尽，用之不竭，而聚光光伏，是目前最受欢迎的将汇聚的太阳能通过光伏电池高效率地直接转化为电能的技术，在全世界范围内广泛应用。光伏电池由于太阳能聚光导致工作温度升高，从而降低其发电效率和输出功率，并且这个过程释放的热能无法被充分地再回收。因此，对聚光光伏系统进行高效的热管理，提高太阳能电池的效率，以及对产生的热能进行有效回收，进一步提高能源利用效率，这变得至关重要。

发明内容

针对目前技术存在的问题，本发明提供了一种三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，具有散热快速均匀、储热量大，结构简单、无需经常维修和使用寿命长等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，应用于聚光光伏散热和热能回收，包括聚光光伏系统模块和设置于光伏电池下方的散热储热模块；

聚光光伏系统模块用于聚光太阳能并将太阳能直接转化为电能；

散热储热模块(三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统)用于吸收聚光太阳能电池释放的热量并进行存储起来。

优选地，所述聚光光伏系统模块包括聚光组件、支撑方管、光伏电池、上支撑平板和下支撑底板；下支撑底板连接设置上支撑平板，上支撑平板最外围设有支撑方管，支撑方管上设有聚光组件，上支撑平板上面设有散热储热模块，散热储热模块上面设有光伏电池。

优选地，聚光组件设置在光伏电池的上方，用于将太阳光汇聚到光伏电池上表面，光伏电池采用商用的多结砷化镓电池，将太阳能转化为电能；上支撑平板可以转动，从而保证聚光组件和太阳光入射方向始终保持垂直；聚光光伏系统中的聚光方式是透射式聚光，聚光镜采用的是菲涅尔透镜。

优选地，所述散热储热模块包括外壳封装结构、相变储热材料和三维阶梯式脉动热管，外壳封装结构封装有三维阶梯式脉动热管，间隙处设有相变储热材料。

优选地，所述三维阶梯式脉动热管采用的是三层阶梯式，其结构包括脉动毛细管、平板蒸发器、充液口和微通道；平板蒸发器设置在最底端，平板蒸发器的左右二端设有若干个微通道，若干个脉动毛细管通过微通道连接平板蒸发器，在脉动毛细管的最上端设有一个充液口。

优选地，散热储热模块中三维脉动热管上的平板蒸发器底面直接与光伏电池底部紧密接触连接，平板蒸发器上的微通道截面为圆形，各微通道直径相同，直径在0.5-1mm之间，和脉动毛细管进行焊接配合。

优选地，其中一个脉动毛细管一端与平板蒸发器左侧最前端(第一个)的微通道焊接连接，另一端与平板蒸发器右侧最后端(最后一个)的微通道焊接连接；第二个脉动毛细管一端与平板蒸发器左侧第二个微通道焊接连接，右端与平板蒸发器右侧最前端(第一个)微通道焊接连接，第三个脉动毛细管一端与平板蒸发器左侧第三个微通道焊接连接，右端与平板蒸发器右侧第二个微通道焊接连接，依次设置；脉动毛细管形成三层梯度式排列，三个脉动毛细管为一组，分别呈现不同的高度，脉动毛细管采用的是铜管，直径在0.5-1mm之间。

优选地，三维阶梯式脉动热管的充装工质为水、电子冷却液FC-72或制冷剂R141b其中的一种；充装工质充装量是整个三维脉动热管内部空间结构体积的20-50％。

优选地，所述相变储热材料选用膨胀石墨和普通相变材料石蜡等复合相变材料，所述相变储热材料直接封装在三维脉动热管之间的缝隙中，其相变温度高于三维脉动热管启动温度，可大量存储热能。

本发明在正常工作时，平板蒸发器与光伏电池底部紧密接触，光伏电池释放的热量通过平板蒸发器传到充装工质中，充装工质吸热膨胀推动液柱运动，继续吸热到沸点温度时发生沸腾产生气泡形成气柱，进而加速推动液柱运动，气柱和液柱在平板蒸发器内部微通道进行来回脉动。当吸收的热量到达一定时，充装工质中的气柱和液柱来回脉动的幅度进一步增加，可以脉动到外侧的脉动毛细管中，外侧脉动毛细管与外界接触的冷却散热面积较平板蒸发器内部的散热面积大，能更好的将热量进行散出。本发明采用的是三维阶梯式脉动热管，这种拥有梯度高度脉动毛细管的三维脉动热管能够更均匀快速地进行散热。在三维阶梯式脉动热管外封装有相变储热材料，三维阶梯式脉动热管将光伏电池释放的热能带走存储到相变储热材料中，更好地进行热能回收。另外，在白天尤其是中午太阳光强度最大，这是聚光光伏系统最佳工作时间，这种耦合三维阶梯式脉动热管和相变储热材料的散热储热系统开始快速工作，将聚光光伏系统中的热量进行大量驱散并存储到相变储热材料中。当时间到晚上，光伏系统停止运行，但散热储热系统仍可以工作，将白天存储的热量输出，从而实现整个系统全天候工作，解决了储热和放热时间和空间不匹配的问题。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：

1、本发明提出了一种用于光伏散热和热能回收的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，将三维脉动热管散热能力快、强和结构灵活的特点与相变材料潜热大储能的优点结合在一起，三维脉动热管对聚光光伏起到高效散热的作用，降低聚光光伏工作温度，提高聚光光伏的发电效率，并且作为桥梁将聚光光伏的热量通过相变材料存储起来，实现高效热能回收。

2、本发明采用三维阶梯式脉动热管，不同高度的脉动毛细管规则周期排列，进一步提高了脉动热管的散热能力，使得聚光光伏系统散热更加均匀和快速。

3、本发明提出的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统利用三维阶梯式脉动热管工质来回振荡脉动实现高效散热，无需外加辅助装置，具有可靠性强和使用寿命长等优点，并且采用的相变储热材料成本低，可进行高效热能存储。

3、本发明白天使用聚光光伏发电，并把这个过程中释放的热能通过三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统散出并存储起来，晚上这个系统可以将白天存储的热量输出，可以实现整个系统全天候工作，提高整个系统的经济效益。

附图说明

图1是本发明中的整体结构示意图。

图2是本发明中的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统主视图。

图3是本发明中的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统俯视图。

图4是本发明中的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统侧视图。

图5是本发明中的三维阶梯式脉动热管脉动毛细管与平板蒸发器连接的示意图。

图6是本发明中的三维阶梯式脉动热管结构示意图。

附图中，1-聚光组件，2-支撑方管，3-光伏电池，4-三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，5-上支撑平板，6-下支撑底板，7-充液口，8-三维阶梯式脉动热管最上层脉动毛细管，9-相变材料，10-三级阶梯式脉动热管脉动毛细管，11-二级阶梯式脉动热管脉动毛细管，12-一级阶梯式脉动热管脉动毛细管，13-封装外壳，14-脉动热管工质，15-平板蒸发器，16-脉动毛细管，17-平板蒸发器上的微通道接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照附图1，本发明提出一种用于聚光光伏散热和热能回收的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，包括聚光光伏系统和三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，

聚光组件1、支撑方管2、光伏电池3、上支撑平板5和下支撑底板6组成聚光光伏系统，其中聚光组件1主要利用聚光镜将太阳光汇聚到光伏电池3上，光伏电池3将太阳能转化为电能，在转化过程中光伏电池3会释放出热能。在光伏电池模块下面是三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统4，这个三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统4中的三维阶梯式脉动热管可以快速散出光伏电池的热量，提高光伏电池的发电效率，另外三维阶梯式脉动热管作为桥梁，将光伏电池中的热量传到相变储热材料中进行存储起来。

参照附图2，本发明提出一种三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，其特包括有：充液口7，三维阶梯式脉动热管最上层脉动毛细管8，相变储热材料9，三级阶梯式脉动热管脉动毛细管10，二级阶梯式脉动热管脉动毛细管11，一级阶梯式脉动热管脉动毛细管12，封装外壳13，脉动热管工质14，平板蒸发器15。其中三维阶梯式脉动热管拥有三级梯度高度脉动毛细管，能够更均匀快速地进行散热。

本实施例中可采用沸点较低的工质，如电子冷却液FC-72或制冷剂R141b等。

优选地，通过顶部充液口进行充装工质，在充装之前，对脉动毛细管和平板蒸发器进行抽真空，然后进行充装工质，三维阶梯式脉动热管工质充装量是整个三维脉动热管内部空间结构体积的20-50％。

参照附图3，本发明提出一种三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，包括有：平板蒸发器15，脉动毛细管16；本实施例中的脉动毛细管采用的是铜管，一个脉动毛细管一端与平板蒸发器左侧最前端的微通道焊接连接，另一端与平板蒸发器右侧最后端的微通道焊接连接，其他脉动毛细管左端与平板蒸发器左侧前一个微通道焊接连接，右端与平板蒸发器右侧后一个微通道焊接连接。12个脉动毛细管分成四组规则排列，每组中的3个脉动毛细管呈现不同的高度。

参照附图4，本发明提出一种三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，包括有平板蒸发器上的微通道接口17，平板蒸发器上的微通道截面为圆形，各微通道直径相同，直径在0.5-1mm之间。

参照附图5，三维阶梯式脉动热管平板蒸发器上的微通道与脉动毛细管通过焊接进行可靠固定连接。

参照附图6，三维阶梯式脉动热管的平板蒸发器吸收光伏系统散出的热量并传到工质中，工质膨胀推动液柱运动，当工质吸热到沸点温度时发生沸腾产生气泡形成气柱，加速推动液柱运动，使得气柱和液柱在平板蒸发器内部微通道进行来回脉动。当吸收的热量到达一定时，工质中的气柱和液柱来回脉动的幅度进一步增加，可以脉动到外侧的脉动毛细管中，由于外侧脉动毛细管与外界接触的冷却散热面积较平板蒸发器内部的散热面积大，能更好的将热量进行散出，而且采用的这种拥有梯度高度脉动毛细管的三维脉动热管能够更均匀快速地进行散热。

本发明涉及一种用于聚光光伏散热和热能回收的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，这个系统耦合了散热能力快的三维阶梯式脉动热管和高效储能的相变储热材料，其中三维阶梯式脉动热管采用带平板蒸发器具有梯度高度的脉动毛细管，进一步提高散热性能，既实现对聚光光伏系统进行快速均匀散热，提高聚光光伏电池的转化太阳能为电能的效率，又作为连接聚光光伏系统和相变储热材料的桥梁，将光伏系统中散出的热量传到相变储热材料中进行存储，实现系统热能的高效回收，提高能源的利用效率。

用于的三维阶梯式脉动热管耦合相变储能系统，所述系统耦合了利用工质巨大相变潜热的三维脉动热管和能存储大量热能的相变储热材料，既能对光伏系统进行高效散热，提高发电效率，又能对于光伏系统发电过程中释放的热能进行存储。并且所述系统可以同步进行或者分开进行散热储热过程，解决时间和空间不匹配的问题，实现整个系统全天候工作的功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不仅仅只局限于这些实施方式。应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提下，对于本发明进行的修改或者改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。