專利名稱：具熱管理的太陽能電池系統(tǒng)的制作方法
具熱管理的太陽能電池系統(tǒng)
背景技術(shù)：
太陽能電池，或者光生伏打電池，具有將太陽光直接轉(zhuǎn)變成電力
的能力。普通太陽能電池在把所吸收的光轉(zhuǎn)變成電力時近似15%有效。 集中式光生伏打電池具有吸收更多電磁光譜的能力，并因此更有效， 同時以約30%的效率將所吸收的光轉(zhuǎn)變成電力。因此，所吸收的太陽 能有60%以上以熱的形式浪費掉。由于光生伏打電池的小尺寸和高能 量吸收，所以熱量必須^v電池充分庫毛散，以防電池質(zhì)量下降或損壞。
然后分別通過散熱片或熱交換器被動式或主動式冷卻電池。然而，由 于主動式和被動式冷卻方法常常需要不同的電池組合式組件的構(gòu)造， 且通常是制造具有電池組合式組件，所以對制造廠提出有關(guān)固定件、 工具、和設(shè)備的不同限制。
發(fā)明提要
熱管理式太陽能電池系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生電力和熱的光生伏打電 池。系統(tǒng)包括外殼、底板、和排熱裝置。外殼包圍太陽能電池系統(tǒng)并 具有敞口的后面部分。底板可設(shè)置在外殼的敞口部分中并支承光生伏 打電池。底板還導(dǎo)熱和散布光生伏打電池所產(chǎn)生的熱量。排熱裝置和 底板作為 一整體單元起作用，同時排熱裝置連接到底板上用于排除底 板中熱量。
附圖簡介


圖1A是太陽能電池系統(tǒng)具有模塊式熱管理結(jié)構(gòu)的第一實施例的 局部剖視圖。
圖1B是太陽能電池系統(tǒng)具有模塊式熱管理結(jié)構(gòu)的第二實施例的 局部剖一見圖。
圖1C是太陽能電池系統(tǒng)具有模塊式熱管理結(jié)構(gòu)的第三實施例的 局部剖視圖。
圖1D是太陽能電池系統(tǒng)具有模塊式熱管理結(jié)構(gòu)的第四實施例的
4局部剖碎見圖。
圖2 A是主動式排熱裝置的第 一 實施例的側(cè)剖視圖。圖2B是主動式排熱裝置的第二實施例的前剖視圖。圖3A是主動式排熱裝置的第二實施例的側(cè)剖視圖。圖3B是主動式排熱裝置的第二實施例的前剖視圖。圖4A是主動式排熱裝置的第三實施例的上視圖。圖4B是主動式排熱裝置的第三實施例的前剖視圖。圖5是與太陽能電池系統(tǒng)結(jié)合使用的蒸汽壓縮系統(tǒng)的蒸發(fā)器的示意圖。
詳細(xì)說明
圖1A, 1B， 1C和1D分別示出具有模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla, llb，llc ,和lld的太陽能電池系統(tǒng)10a, 10b, 10c,和10d。太陽能電池系統(tǒng)10a， 10b， 10c，和10d這樣設(shè)計，以〗更分別附接到才莫塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla， lib, llc,和lld上的被動冷卻式或主動冷卻式排熱裝置可以在太陽能電池系統(tǒng)已經(jīng)組裝好之后，很容易與太陽能電池系統(tǒng)結(jié)合。太陽能電池系統(tǒng)10a， 10b, 10c,和10d都相同，分別具有不同的模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla， llb， llc,和lld。因此太陽能電池系統(tǒng)10a， 10b,10c,和10d增加了制造效率，能同時或分開將排熱裝置結(jié)合到太陽能電池系統(tǒng)上。
圖1A示出太陽能電池系統(tǒng)的第一實施例10a的前視圖，所述太陽電池系統(tǒng)10a具有才莫塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla。太陽能電池系統(tǒng)10a—4殳包括光生伏打電池12、聚能器14、和外殼16。模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla利用被動式冷卻，且一般包括活動底板18，和排熱裝置20。在運行中，使聚能器14與太陽對準(zhǔn)，以便為聚能器的尺寸收集和聚焦最大量的太陽能。太陽能取光的形式被光生伏打電池12吸收。光生伏打電池12隨后將太陽能轉(zhuǎn)變成電能。未用來發(fā)電的能量產(chǎn)生熱量。由于光生伏打電池12 —般能量轉(zhuǎn)換效率是在10%和40%之間，所以大約有60%吸收到光生伏打電池12中的能量轉(zhuǎn)變成熱量。熱量必須從光生伏打電池12耗散掉，以便防止光生伏打電池12的損壞和降低性能。這種熱量也可以作為熱能回收利用。
外殼16包圍太陽能電池系統(tǒng)10a并支承聚能器16。外殼16—般包4舌側(cè)面框架22、窗口 24、和底纟反26。側(cè)面框架22沿著光生伏打電池12和聚能器14的外側(cè)周邊設(shè)置，并保護光生伏打電池12和聚能器14免受外部元件影響。窗口24由透明玻璃形成，并在側(cè)面框架22的上部邊緣28處連接到側(cè)面構(gòu)架22上。窗口 24設(shè)置在聚能器14的上方，并提供一種封閉以便給用于聚能器14的光學(xué)元件的空間抽真空，及保護光生伏打電池12免受外部來源的損壞。底板26提供外殼16的基礎(chǔ)，并通過緊固件32a， 32b在側(cè)面框架22的底部邊緣30處固定到底部框架22上，同時如果需要的話能快速而方便地接近光生伏打電池12。底板26還包括一開口 34，所述開口 34在底板26的中間，以便容納才莫塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla的活動底板18。
模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla在外殼16處連接到太陽能電池系統(tǒng)10a上?；顒拥装?8直接位于光生伏打電池12的下方，并用重量輕的高導(dǎo)熱材料薄板形成。由于活動底板18導(dǎo)熱，所以活動底板18還起用于光生伏打電池12的熱散布器的作用。排熱裝置20通過活動底板18連接到光生伏打電池12上。因此，活動底板18通過增加光生伏打電池12和排熱裝置20之間的傳熱面積而把光生伏打電池12的高熱流(單位面積的傳熱速率)散布開，所述高熱流由能量高度吸收到光生伏打電池12的比較小的表面積中產(chǎn)生。通過增加光生伏打電池12和排熱裝置20之間的傳熱速率，來自光生伏打電池12的熱流減少。在一個實施例中，活動底寺反18用鋁制成。
排熱裝置20直接附接到活動底板18上，并在熱量已通過活動底板18散布之后被動式耗散由光生伏打電池12所產(chǎn)生的熱量。散熱片通常與被動冷卻的太陽能電池系統(tǒng)結(jié)合使用。在被動式冷卻中，利用
環(huán)境空氣作為傳熱源，所述環(huán)境空氣通過自然對流冷卻太陽能電池系統(tǒng)。由于散熱片的目的是筒單地耗散過量的熱，而不是吸收熱量供隨后使用，所以不需要隔熱。排熱裝置20可以通過活動底板18用該技術(shù)中已知的任何方法連接到外殼16上，所述方法包括，但不限于釬焊法、焊4妻、或枳4成方法。
圖1B示出太陽能電池系統(tǒng)的第二實施例10b的前視圖，所述太陽能電池系統(tǒng)10b具有一排熱裝置36,該排熱裝置36與模塊式熱管理結(jié)構(gòu)llb結(jié)合。與模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla相同，模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lib利用被動式冷卻來排除光生伏打電池12中的熱量。被動冷卻模塊式熱管理結(jié)構(gòu)的第一和第二實施例lla和llb相互類似地運行。才莫塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla和lib之間的唯一差別是被動模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lib的排熱裝置36形成為活動底板18的整體部件。在一個實施例中，底板26和活動底板18(在圖1A中示出)設(shè)計成整體式底板38。排熱裝置36隨后與整體式底板38形成為模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lib的整體部件。排熱裝置36可以用該技術(shù)中已知的任何方法形成為整體式底板38的一部分，上述方法包括，但不限于釬焊。
圖1C示出太陽能電池系統(tǒng)的第三實施例10C的前視圖。所述太陽能電池系統(tǒng)10C具有排熱裝置40,該排熱裝置40附接到模塊式熱管理結(jié)構(gòu)11C上。模塊式熱管理結(jié)構(gòu)11C主動式冷卻光生伏打電池12并包括隔熱體42。模塊式熱管理結(jié)構(gòu)11C用與模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla相同的方式運行，不過模塊式熱管理結(jié)構(gòu)IIC的排熱裝置40是主動式而不是被動式冷卻光生伏打電池12。當(dāng)吸收太陽能電池系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量供該系統(tǒng)或相鄰的過程系統(tǒng)使用時，主動式冷卻系統(tǒng)一般用來耗散太陽能電池系統(tǒng)中的熱量。通常利用冷卻劑通過強制對流來吸收和輸送從太陽能電池系統(tǒng)中耗散的熱量?？晒┻x擇地，如果將排熱裝置40完全密封，則可以使用相變材料來吸收和輸送熱量。相變材料的例子包括，但不限于曱醇、氨、水、和丙酮。在排熱裝置40完全密封的情況下，模塊式熱管理結(jié)構(gòu)IIC將被動式耗散來自光生伏打電池12的熱量。
由于吸收光生伏打電池12中的熱量供隨后使用，所以模塊式熱管理結(jié)構(gòu)11C包括隔熱器42,所述隔熱器42位于底板26、活動板18、和排熱裝置40之間。絕熱器40防止光生伏打電池12所產(chǎn)生的熱量逸散到環(huán)境中，同時使從光生伏打電池12到冷卻劑的傳熱量最大，并因此任何熱量都供應(yīng)到相鄰的過程系統(tǒng)中。在一個實施例中，排熱裝置是熱交換器。
圖1D示出太陽能電池系統(tǒng)的第四實施例10d的前視圖，所述太陽能電池系統(tǒng)10d具有排熱裝置44,該排熱裝置44與模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lld結(jié)合。與模塊式熱管理結(jié)構(gòu)的第三實施例llc類似，模塊式熱管理結(jié)構(gòu)的第四實施例lld也利用主動式冷卻，以便排除光生伏打電池12中的熱量。熱管理結(jié)構(gòu)llc和lld之間的唯一不同是排熱裝置44形成為整體式底板38的一部分，與模塊式熱管理結(jié)構(gòu)llb類似。排熱裝置
744可以用該技術(shù)中已知的任何方法形成為整體式底一反38的一部分。在 一個實施例中，將排熱裝置44的表面釬焊到整體式底板38上。在這 種情況下，冷卻劑在各底纟反之間流動，在此處它吸收來自光生伏打電 池12的熱量供潛在使用?？晒┻x擇地，如模塊式熱管理結(jié)構(gòu)llc類似， 如果排熱裝置44完全密封，則可以使用相變材料來吸收和輸送熱量。
盡管圖1A-1D分別將太陽能電池系統(tǒng)10a-10d示出為僅包4舌一個 光生伏打電池12，但太陽能電池系統(tǒng)10a-10d可以在外殼16內(nèi)包括若 干光生伏打電池12。此外，盡管圖1A-1D將聚能器14示出為直接擱 在光生伏打電池12的頂部上，但聚能器14只需要放在光生伏打電池 12附近，而不需要有效地與光生伏打電池12直接接觸。
在運行時，發(fā)光伏打電池12、底板26、和才莫塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla-lld 可以分別通過卸除緊固件32a和32b與太陽能電池系統(tǒng)1 Oa-10d的外殼 16分開。視所希望的從太陽能電池系統(tǒng)10a-10d收集的熱量的功能而 定，排熱裝置可以設(shè)計成實施被動式或主動式冷卻。然而，太陽能電 池系統(tǒng)10a-10d將保持相同，同時視太陽能電池系統(tǒng)10a-10d的具體要 求和期望而定，可用于很容易安裝和更換模塊式熱管理結(jié)構(gòu)lla-lld。 例如，可以利用不同的排熱裝置來主動式冷卻光生伏打電池12，如下 所述。 一種類型排熱裝置包括多個半球形塊體(block)，所述半球形 塊體位于光生伏打電池的下方，以便減少光生伏打電池的局部熱流。 另一種類型排熱裝置包括多個微渠道，所述微渠道在光生伏打電池下 方延伸，以1更增加光生伏打電池和傳熱流體之間的表面積。還有另一 種類型排熱裝置包括在太陽能電池系統(tǒng)的下方設(shè)置一蒸汽壓縮系統(tǒng)。 所有這些裝置都利用冷卻劑來耗散來自光生伏打電池的熱量。
圖2A和2B分別示出主動式排熱裝置100的側(cè)剖視圖和前剖視圖， 并相互結(jié)合進行討論。排熱裝置100主動式冷卻連接到排熱裝置100 上的太陽能電池系統(tǒng)的光生伏打電池102a和102b,且一4殳包括渠道 104及塊體106a和106b。由于光生伏打電池102a和102b的小尺寸和 進入光生伏打電池102a和102b的高太陽能濃度比，所以局部熱流相^ 高。主動式排熱裝置100提供有效的排除光生伏打電池102a和102b 中的熱量，而同時^f呆持光生伏打電池102a和102b與穿過染道104流 動的冷卻劑之間〗氐的溫差。盡管圖2A和2B^又示出兩個光生伏打電池 102a和102b及相應(yīng)的塊體106a和106b， 一f旦主動式排熱裝置100可以按需要具有任何數(shù)量塊體，以便有效地冷卻沿著渠道104設(shè)置的光生
伏打電池。
渠道104起冷卻劑流動通道的作用，并由接觸板108和底板110 形成。如在圖2B中可以看出的，接觸板108具有第一側(cè)112a、第二側(cè) 112b、及位于所述第一和第二側(cè)112a和112b之間的中間部分114。多 個具有半徑R！的半球形凹槽116沿著中間部分114的長度形成。底板 110也具有第一側(cè)118a、第二側(cè)118b、及在所述第一和第二側(cè)118a和 118b之間的中間部分120。底板110的中間部分120沿著底板110的 整個長度形成具有半徑R2的半圓筒形形狀。中間部分120的半徑R2 大于半球形凹槽116的半徑R1(>
接觸玲反108和底板110連接在一起，以〗更形成渠道104。接觸才反 108的第一側(cè)112a連接到底板110的第一側(cè)118a上，而接觸板108的 第二側(cè)112b連接到底板110的第二側(cè)118b上。盡管圖2A和2B把接 觸板108的半球形凹槽116示出為具有半球形橫斷面形狀和把底板110 的中間部分120示出為具有半圓筒形形狀，^旦半J求形凹槽116和中間 部分120可以具有任何不同的橫斷面形狀，只要它們一起形成冷卻劑 流動渠道。渠道104的接觸板108和底板110用高導(dǎo)熱材料如金屬形 成。特別合適的金屬的例子是鋁。接觸板108和底板110可以用該技 術(shù)中已知的方法相互連接，所述方法包括，但不限于釬焊。
塊體106a和106b具有半球形形狀，且加工成一定尺寸以便放置 在接觸板108的半球形凹槽116內(nèi)。然后分別將光生伏打電池102a和 102b直接放在塊體106a和106b上，所述塊體106a和106b起減少光 生伏打電池102a和102b的局部熱流的作用。塊體106a和106b用高導(dǎo) 熱材沖牛制成，并有效地增加光生伏打電池102a和102b與穿過渠道104 流動的冷卻劑之間的接觸表面積。因為光生伏打電池102a和102b與 冷卻劑之間的4妾觸表面積增加，所以對光生伏打電池102a和102b的 可能損害減至最小。塊體106a和106b的半球形形狀使光生伏打電池 102a和102b中的熱量朝徑向方向耗散，均勻地將熱量分布到一更大的 表面積上，并因此減少了熱流。由于塊體106a和106b及渠道104 二 者都用高導(dǎo)熱材^4制成，所以光生伏打電池102a和102b與塊體106a 和106b之間的溫差將最小。盡管在圖2A和2B中4巴塊體106a和106b 示出為具有半球形形狀，但塊體106a和106b可以具有任何不同形狀，只要它們能方文在凹槽116中。在一個實施例中，塊體106a和106b用 鋁形成，并可以結(jié)合到接觸板108上或者釬焊到接觸板108上。光生 伏打電池102a和102b基本上可以分別4f焊在塊體106a和106b的頂部上。
在運行時，冷卻劑通過主動式排熱裝置100的渠道104，并起傳熱 流體作用來耗散光生伏打電池102a和102b中的熱量。光生伏打電池 102a和102b中的熱量首先分別庫毛散到塊體106a和106b中，和然后穿 過塊體106a和106b朝徑向方向上輻射到4妻觸板108。這種由塊體106a 和106b與接觸板108的凹槽116所形成的增加的表面積能將熱量從光 生伏打電池102a和102b傳遞到穿過渠道104流動的冷卻劑，同時顯 著減少了熱流，因此避免了冷卻劑的局部沸騰。這種增加的傳熱接觸 表面積也能從光生伏打電池102a和102b耗散熱量，同時沒有大的溫 降。由于光生伏打電池102a和102b與冷卻劑之間溫差小的結(jié)果，所 以/人光生伏打電池102a和102b可以產(chǎn)生有用的熱量如熱水。
為了使排熱裝置100與太陽能電池系統(tǒng)10c或10d結(jié)合，排熱裝 置100的接觸板108起活動底板18作用。接觸板108通過緊固件32a 和32b附4妻到外殼16上，同時渠道104及塊體106a和106b排除光生 伏打電池102a和102b中的熱量。
圖3A和3B分別是主動式排熱裝置第二實施例200的側(cè)剖視圖和 前剖視圖，并且相互結(jié)合討論。主動式排熱裝置200耗散光生伏打電 池202a和202b中的熱量，并且一般包括渠道204和塊體206。渠道 204包括接觸板208和底板210。接觸板208具有第一和第二側(cè)212a 和212b及在所述第一和第二側(cè)212a和212b之間的中間部分214。同 樣，底板210具有第一側(cè)216a和216b及在所述第一和第二側(cè)216a和 216b之間的中間部分218。主動式排熱裝置200的光生伏打電池202a 和202b、渠道204、及塊體206相互作用，并用與主動式排熱裝置100 (在圖2A和2B中示出)的光生伏打電池102a和102b、渠道104、及 塊體106a和106b相同的方式起作用，不過4妾觸板208的中間部分214 用沿著渠道204的長度的連續(xù)溝槽220形成，而不是用多個凹槽形成。 此外，塊體206是沿著渠道204的長度延伸的連續(xù)塊體，而不是多個 塊體。
通過沿著接觸板208的整個長度形成溝槽220和將塊體206設(shè)置在溝槽212的整個長度內(nèi)，渠道204的截面積在渠道204的整個長度 內(nèi)保持恒定。這與主動式排熱裝置100的渠道104中的傳熱速率相比， 沿著主動式排熱裝置200的渠道204產(chǎn)生更恒定的傳熱速率。由于塊 體106a和106b與冷卻劑之間的間歇式4妄觸，所以渠道104中的傳熱 速率較小且較少一致。由于塊體206提供沿著渠道204的整個長度傳 熱，所以主動式排熱裝置200的傳熱更均勻，并可以很容易控制。
為了使排熱裝置200與太陽能電池系統(tǒng)10c或10d結(jié)合，排熱裝 置200的接觸板208起活動底板18的作用。接觸板208通過緊固件32a 和32b附接到外殼16上，同時渠道204和塊體206排出光生伏打電池 202a和202b中的熱量。
圖4A和4B分別示出活動式排熱裝置第三實施例300的上^L圖和 前剖視圖，并相互結(jié)合討論。主動式排熱裝置300耗散光生伏打電池 302a、 302b、和302c中的熱量，且一般包括底板304、涂層306、襯底 308、片簧310、罩面層312、和熱交換器314。如同主動式排熱裝置的 第一和第二實施例100和200 (分別在圖2A和2B、及圖3A和圖3B 中所示)那樣，冷卻劑穿過微渠道314并用作傳熱流體。盡管圖4A僅 示出光生伏打電池302a和圖4B僅示出三個光生伏打電池302a、302b、 和302c,但主動式排熱裝置300可以冷卻任何數(shù)量的與主動式排熱裝 置300接觸的光生伏打電池。
底才反304是支屏義光生伏打電池302a、 302b、和302c、襯底308、 和熱交換器314的絕緣結(jié)構(gòu)底板。襯底308是薄膜，并形成電路布置 在該處的基礎(chǔ)。首先必須從襯底308這樣切開開口，以便一旦準(zhǔn)備安 裝光生伏打電池302a, 302b,和302c,就可以在不疊加襯底308的情 況下直接將光生伏打電池302a、 302b、和302c安裝在底板304上。
一旦襯底308處在合適位置，則安裝光生伏打電池302a、 302b、 和302c,并用機械方法附接到底板304上。如圖4B中所示，光生伏打 電池302a、 302b、和302c沿著底板304相互等距離設(shè)置。每個光生伏 打電池302a、 302b、和302c都在光生伏打電池302a、 302b、和302c 接觸底板304的表面上涂裝一薄層涂層306。涂層306是一種高導(dǎo)熱和 電絕緣的材料如氮化鋁，所述涂層306起光生伏打電池302a、 302b、 和302c與底板304之間的界面層作用。在一個實施例中，光生伏打電 池302a、 302b、和302c通過片簧310壓緊并束縛到底板304上。片簧310是襯底308最初切換到疊加光生伏打電池302a、 302b、和302c的 部分。片簧310起將光生伏打電池302a、 302b、和302c的邊纟彖部分保 持到底板304上的作用。
襯底308電絕緣，并且有電力母線，所述電力母線刻印兩個接線 端子308a和308b,以^更將每個光生伏打電池302a、 302b、和302c連 接到襯底308上，和將電力從光生伏打電池302a、 302b、和302c傳輸^ 到連接器。由于襯底308電絕緣，所以襯底308通常具有低熱導(dǎo)率， 同時橫跨襯底308產(chǎn)生高傳熱電阻。因此需要低溫冷卻劑來有效地排 除光生伏打電池302a、 302b、和302c中的熱量。 一旦光生伏打電池302a、 302b、和302c安裝到了底板304上，就在光生伏打電池302a、 302b、 和302c上涂裝罩面層312，以便保護光生伏打電池302a、 302b、和302c 免予曝光。在一個實施例中，罩面層是硅凝膠。
熱交換器314具有若干微渠道316,并安裝在底板304內(nèi)。熱交換 器314貫穿底板304的長度在光生伏打電池302a、 302b、和302c的下 方。微渠道316是擠出管，所述擠出管設(shè)計成保證沿著熱交換器314 的壁高熱散布。冷卻劑穿過微渠道314流動，并吸收光生伏打電池302a、 302b、和302c中所產(chǎn)生的熱量。盡管圖4A和4B將熱交換器示出為微 渠道熱交換器，但熱交換器314可以是任何類型熱交換器如具有流通 通道的板式熱交換器。
在運行中，熱交換器314的微渠道316和高導(dǎo)熱涂層306提供由 光生伏打電池302a、 302b、和302c所產(chǎn)生的熱量與穿過樣吏渠道316流 動的冷卻劑之間的高對流傳熱。高對流傳熱產(chǎn)生有效排除光生伏打電 池302a、 302b、和302c中的熱量。由于高傳熱速率，所以熱量在最j氐 溫降情況下傳送到冷卻劑，同時在光生伏打電池302a、 302b、和302c 與冷卻劑之間產(chǎn)生一低的溫差。與主動式排熱裝置100和200類似， 用主動式排熱裝置300可以從光生伏打電池302a、 302b、和302c產(chǎn)生 有用的熱量。此外，由于微渠道的尺寸和材料，所以微渠道316提供 低成本和重量輕的熱管理系統(tǒng)，同時可用于大量生產(chǎn)和減少主動式排 熱裝置300的機械載荷。
為了使排熱裝置300與太陽能電池系統(tǒng)10c或10d結(jié)合，排熱裝 置300的底板304起活動底板18的作用。底板304通過緊固件32a和 32b固定到外殼16上，同時微渠道314排除光生伏打電池302a、 302b、和302c中的熱量。
在第四實施例中，主動式排熱裝置400是蒸汽壓縮系統(tǒng)402的蒸發(fā)器。在圖5中示出的蒸汽壓縮系統(tǒng)402控制太陽能電池系統(tǒng)404的溫度，且一般包括蒸發(fā)器406、壓縮機408、冷凝器410、和膨脹裝置412。致冷劑穿過蒸汽壓縮^^系統(tǒng)402流動，并吸收由太陽能電池系統(tǒng)404所產(chǎn)生的熱量，所述太陽能電池系統(tǒng)404接觸蒸發(fā)器406。致冷劑可以包括，但不限于含氯氟烴類、含氟烴類、二氧化碳、丙烷、丁烷、乙醇、水、任何非共沸或共沸混和物或混合物、或上述物質(zhì)的任何組合。
蒸發(fā)器406和冷凝器410是分別蒸發(fā)和冷凝致冷劑的熱交換器。蒸發(fā)器406使致冷劑沸騰以便提供冷卻。隨著致冷劑在蒸發(fā)器406中沸騰和蒸發(fā)，溫度和壓力一般都低，T,。w， P,。w。在這個溫度下，蒸發(fā)器406中的致冷劑很容易吸收從太陽能電池404排出的熱量。此外，由于致冷劑的溫度低，所以它可以起冷卻外部熱源如冰箱或空調(diào)的作用。
在離開蒸發(fā)器406時，致冷劑送到壓縮機408。壓縮機408接收從蒸發(fā)器406沸騰的致冷劑蒸汽，并將致冷劑蒸汽的壓力升高到一個等級Phigh,所述壓力Phigh足夠供致冷劑蒸汽在冷凝器410中冷凝。隨著致冷劑受壓縮和致冷劑的壓力增加，致冷劑的溫度也增加。在這個階段，致冷劑是高壓Phigh、高溫Thigh流體蒸汽。
一旦致冷劑受壓縮，就將它送到冷凝器410，在這里致冷劑冷卻到仍然是高壓Phigh和高溫Thigh的液態(tài)。因此，熱量從冷凝器410中的致冷劑排出。冷凝器410可以是該技術(shù)中已知的任何設(shè)計，其中包括，但不限于，冷卻塔或蒸發(fā)式冷凝器。
在離開冷凝器410之后，致冷劑進入膨脹裝置412。膨脹裝置412控制離開冷凝器410的經(jīng)過冷凝的致冷劑在增加的壓力Phigh和增加的溫度Thigh下流到蒸發(fā)器406中。膨脹裝置412在致冷劑進入蒸發(fā)器406供吸收熱量之前，將所述致冷劑的壓力和溫度二者降到低壓P,。w和低溫T,。w。在這個壓力和溫度下，致冷劑是兩相流體，或者是蒸汽/液體混合物，所述兩相流體具有比單相流體更好的傳熱性能。另外，致冷劑當(dāng)煮沸/蒸發(fā)時， 一般停留在恒溫恒壓下。利用蒸發(fā)器406來吸收熱量能更好的控制光生伏打電池404的溫度。使致冷劑連續(xù)地通過蒸汽壓縮系統(tǒng)402，以1更排除太陽能電池系統(tǒng)404中的熱量。
為了使排熱裝置400與太陽能電池系統(tǒng)10c或10d結(jié)合，排熱裝置400的蒸發(fā)器406起活動底板18的作用。蒸發(fā)器406可以例如分別是上述排熱裝置的第一、第二、和第三實施例100、 200、和300中的任一個，上述蒸發(fā)器406通過緊固件32a和32b固定到外殼16上，并排除光生伏打電池302a、 302b、和302c中的熱量。
附接到模塊式熱管理結(jié)構(gòu)上的太陽能電池系統(tǒng)提供用于排除太陽能電池系統(tǒng)中熱量的被動式和主動式冷卻組合式配置。公開了各種組合式結(jié)構(gòu)，所述組合式結(jié)構(gòu)能將被動式或主動式冷卻裝置連接到光生伏打電池上，隨后組裝太陽能電池系統(tǒng)。散熱片可以在建造太陽能電池外殼或者與模塊式熱管理結(jié)構(gòu)成為整體之后連接到太陽能電池系統(tǒng)上，用于被動式熱管理系統(tǒng)。同樣，熱交換器或者如下面所述的主動式冷卻排熱裝置可以在建造太陽能電池外殼或者與組合式熱管理系統(tǒng)成為整體之后連接到太陽能電池系統(tǒng)上，用于主動式熱管理系統(tǒng)。
可以利用各種主動式冷卻排熱裝置來有效地排除太陽能電池系統(tǒng)中熱量。在一種排熱裝置中，將多個塊體直接設(shè)置在太陽能電池系統(tǒng)的光生伏打電池的下方，以-便減少光生伏打電池的局部熱流。在另一種排熱裝置中，多個微渠道在光生伏打電池下方延伸，以便增加從光生伏打電池傳熱到-傳熱流體。在還有另一種類型排熱裝置中，將蒸汽壓縮系統(tǒng)連接到太陽能電池系統(tǒng)上。主動式排熱裝置利用冷卻劑作為傳熱手段，以便耗散發(fā)生伏打電池中的熱量。
盡管本發(fā)明已參照一些優(yōu)選實施例進行了說明，但該領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上進行改變。
權(quán)利要求
1. 一種熱管理式太陽能電池系統(tǒng)，具有用于產(chǎn)生電力和熱量的光生伏打電池，該系統(tǒng)包括外殼，所述外殼包圍太陽能電池系統(tǒng)，外殼具有一敞開的底部部分；底板，所述底板可設(shè)置在外殼的敞開部分中，用于支承光生伏打電池，底板導(dǎo)熱用于散布光生伏打電池中的熱量；和排熱裝置，所述排熱裝置連接到底板上，用于排除底板中的熱量，其中底板和排熱裝置作為單個單元起作用。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中底板是熱散布器。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中熱散布器用具有高熱導(dǎo)率的塊 體形成。
4. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中熱散布器加工成一定形狀，以 ^J咸少光生伏打電池的熱流。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中排熱裝置包括散熱片。
6. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中排熱裝置包括熱交換器。
7. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中熱交換器包括至少一個位于光 生伏打電池下方的樣么渠道。
8. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中排熱裝置用電絕緣和導(dǎo)熱材料 制成。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中排熱裝置是用鋁制成的塊體， 用于增加從光生伏打電池的傳熱速率。
10. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中排熱裝置包括蒸汽壓縮系統(tǒng)的 蒸發(fā)器。
11. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，另外包括傳熱機構(gòu)，所述傳熱機構(gòu) 用于吸收和輸送光生伏打電池中的熱量。
12. 熱管理式太陽能電池系統(tǒng)，具有一集中式光生伏打電池，太陽 能電池系統(tǒng)包括外殼，所述外殼包圍集中式光生伏打電池，外殼在其底部表面中 具有開口，而集中式光生伏打電池直接位于開口的上方；和模塊式熱管理結(jié)構(gòu)，所述模塊式熱管理結(jié)構(gòu)可安裝到外殼的開口 上，并與集中式光生伏打電池直接接觸，用于支承集中式光生伏打電池，并散布和耗散由集中式光生伏打電池所產(chǎn)生的熱量。
13. 如權(quán)利要求12所述的太陽能電池系統(tǒng)，其中模塊式熱管理結(jié) 構(gòu)包括底板，所述底板與外殼的底部表面對準(zhǔn)設(shè)置，用于散布由集中式 光生伏打電池所產(chǎn)生的熱量；和排熱裝置，所述排熱裝置連接到底板上，用于耗散底板中的熱量。
14. 如權(quán)利要求13所述的太陽能電池系統(tǒng)，其中集中式光生伏打 電池和模塊式熱管理結(jié)構(gòu)之間的表面接觸面積通過底板增加。
15. 如權(quán)利要求13所述的太陽能電池系統(tǒng)，其中排熱裝置包括散 熱片。
16. 如權(quán)利要求13所述的太陽能電池系統(tǒng)，其中排熱裝置包括熱 交換器。
17. 如權(quán)利要求16所述的太陽能電池系統(tǒng)，其中熱交換器包括冷 卻劑流通通道和導(dǎo)熱塊體，用于主動式耗散從集中式光生伏打電池所 產(chǎn)生的熱量。
18. 如權(quán)利要求17所述的太陽能電池系統(tǒng)，其中冷卻劑流動通道密封。
19. 如權(quán)利要求18所述的太陽能電池系統(tǒng)，其中相變材料穿過冷 卻劑流動通道流動。
20. 如權(quán)利要求16所述的太陽能電池系統(tǒng)，其中熱交換器包括多 個冷卻劑流動微渠道和導(dǎo)熱涂層，用于主動式耗散集中式光生伏打電 池所產(chǎn)生的熱量。
全文摘要
一種熱管理式太陽能電池系統(tǒng)(10a，10b，10c，10d)包括用于產(chǎn)生電力和熱量的光生伏打電池(12，102a，102b，202a，202b)。系統(tǒng)(10a，10b，10c，10d)包括外殼(16)、底板(18)、和排熱裝置(20，36，40，44，100，200，300)。外殼(16)包圍太陽能電池系統(tǒng)(10a，10b，10c，10d)，并具有一敞開的后面部分。底板(18)可設(shè)置在外殼(16)的敞口部分中，并支承光生伏打電(12)。底板(18)還導(dǎo)熱和散布由光生伏打電池(12，102a，102b，202a，202b)產(chǎn)生的熱量。排熱裝置(20，36，40，44，100，200，300)與底板作為一個整體單元起作用，同時排熱裝置(20，36，40，44，100，200，300)連接到底板(18)上，以便排除底板(18)中的熱量。
文檔編號H01L31/052GK101479856SQ200780017988
公開日2009年7月8日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者C·沃爾克, J·桑焦文尼, M·K·薩姆, R·拉哈克里什南, S·本達(dá)普迪, T·拉德克利夫, Y·姜, Y·鄺, Y·陳 申請人:聯(lián)合工藝公司