基于纳米流体的太阳能近全光谱利用光伏热电联用系统

摘要

本发明公开了一种基于纳米流体的太阳能近全光谱利用光伏热电联用系统，系统包括热电联用模块、出口联箱、水泵、纳米流体水箱、电子调节阀、进口联箱、换热器、油泵、导热油箱；热电联用模块、出口联箱、水泵、纳米流体水箱、电子调节阀与进口联箱按顺序通过管路连接，形成外循环；换热器、油泵、导热油箱与热电联用模块按顺序通过管路连接，形成内循环，内循环中导热油箱里的导热油流经热电联用模块进行换热增温，流经换热器降温后低温导热油经油泵回到导热油箱。热电偶温度计、电子调节阀、热电联用模块形成温度控制系统。本发明能够实现太阳能的全频谱利用，提高发电效率的同时产生高温导热油，提高太阳能利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于纳米流体的太阳能近全光谱利用光伏热电联用系统，属于光伏发电技术领域。

背景技术

太阳能作为一种可再生的清洁能源蕴藏着巨大能量，太阳能利用、太阳能材料相关技术的开发在世界范围内引起了重视。目前对太阳能的利用主要有光热转换、光伏发电。但是光电转换效率较低，可利用的太阳光的光谱频段范围较窄。光热转换主要利用太阳光红外波段，转换效率较高。若能扩大利用的太阳光的频谱范围，将很大程度上提高太阳能的利用率。纳米材料作为一种新型的能源材料，受到国内外专家和学者的广泛关注。随着上世纪80年代研究人员对纳米流体直接吸收太阳辐射技术的提出，利用纳米颗粒的辐射特性，实现太阳能的全光谱利用成为了新的热点能源技术。

现有热电联用系统常存在加工技术不够成熟、光热单元与光电单元无法有效分离，有时光热单元的热量比较依赖于光电单元，光热单元温度受光电单元工作温度的限制等诸多问题。这些问题严重限制了电热联用系统的发展和普及。

发明内容

为了克服以上不足，本发明提供了一种基于纳米流体的集热管式太阳能热电联用系统，使热电联用模块的产热部分的热量不再依赖于产电部分，能在提高发电效率的同时产生高温导热油，对推动纳米技术的发展和热电联用系统的普及有所帮助。

本发明的技术方案如下：

一种基于纳米流体的太阳能近全光谱利用光伏热电联用系统，所述系统包括热电联用模块、出口联箱、水泵、纳米流体水箱、电子调节阀、进口联箱、换热器、油泵和导热油箱；

所述热电联用模块、出口联箱、水泵、纳米流体水箱、电子调节阀、进口联箱按顺序通过管路连接，形成外循环；

所述换热器、油泵、导热油箱与热电联用模块按顺序通过管路连接，形成内循环，内循环中导热油箱里的导热油流经热电联用模块进行换热增温，流经换热器换热后低温导热油经油泵回到导热油箱。

所述热电偶温度计、电子调节阀、热电联用模块形成温度控制系统。

上述热电联用模块包括上层流道、换热流道、下层流道、太阳能电池板、热电偶、集热管、上肋片、下肋片、光学玻璃、流道进口、流道出口；

所述热电联用模块面向阳光倾斜放置，所述热电联用模块的表面设置光学玻璃层，所述热电联用模块的上端设置集热管出口，下端设置集热管进口；所述热电联用模块的的侧方设置流道进口与流道出口，所述进口联箱连接流道进口；所述出口联箱连接流道出口；

所述太阳能电池板上方两层光学玻璃形成上层流道，所述太阳能电池板下表面与热电联用模块背板形成下层流道，所述太阳能电池板下底面与热电联用模块侧板形成换热流道，所述换热流道中设置热电偶、集热管，所述集热管的上方设置上肋片，下方设置下肋片，所述下肋片、上肋片将集热管固定，所述集热管设置集热管进口与集热管出口，所述导热油箱连接集热管进口，所述换热器连接集热管出口。

上述太阳能电池板的上表面与下表面处设置用于支撑光伏组件的支撑卡槽，位于太阳能电池板的下表面处的支撑卡槽设置若干用于增加流体换热的肋片组。

上述上肋片上方放置温度传感器热电偶，用于检测纳米流体温度。

上述热电偶使用安捷伦数据采集仪进行数据采集，根据采集数据对电子调节阀阀门开度进行调节，从而控制纳米流体的流量。

上述集热管的圆形内壁设置若干凹槽。

上述热电联用模块中的流道中流动的是SiO₂-乙二醇/导热油VP-1纳米流体，其对入射辐射有着选择性透过作用，将硅光伏电池所能利用的太阳能辐射可见光波段，透射在光伏电池上进行光电转换，同时直接吸收入射辐射的红外波段，完成光热转换，较好实现太阳能的全频谱利用。

本发明所达到的有益效果：本发明提供了一种基于纳米流体的集热管式太阳能热电联用系统，使热电联用模块的产热部分的热量不再依赖于产电部分，能够在提高发电效率的同时产生高温导热油，提高太阳能的利用率，装置搭建简便，造价合适，有利于推动纳米技术的发展和热电联用系统的普及。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为热电联用模块的局部剖视及流体流向示意图；

图3为图2的A-A剖面图；

图4为图3的B方向视图；

图5为集热管剖面图；

图6为温度控制系统图。

图中：热电联用模块1、出口联箱2、水泵3、纳米流体水箱4、电子调节阀5、进口联箱6、换热器7、油泵8、导热油箱9，热电联用模块流道1-1、太阳能电池板1-2、集热管1-3、肋片组1-4、支撑卡槽1-5、下肋片1-6、上肋片1-7、热电偶1-8、集热管进口1-9、光学玻璃1-10、流道进口1-11、流道出口1-12、集热管出口1-13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于纳米流体的太阳能近全光谱利用光伏热电联用系统，系统包括热电联用模块1、出口联箱2、水泵3、纳米流体水箱4、电子调节阀5、进口联箱6、换热器7、油泵8和导热油箱9；

纳米流体水箱4、电子调节阀5、出口联箱6、热电联用模块1、水泵2、进口联箱3按顺序通过管路连接，形成外循环；

水泵3安装于出口联箱2和纳米流体水箱4之间，用于提供纳米流体循环流动所需的动力；电子调节阀5安装于进口联箱6和纳米流体水箱4之间，用于调节纳米流体的流量。

换热器7、油泵8、导热油箱9与热电联用模块1按顺序通过管路连接，形成内循环，油泵8安装于换热器7和导热油箱9之间，用于提供导热油循环流动所需的能量。内循环中导热油箱9里的导热油流经热电联用模块1进行换热增温，流经换热器7降温后的低温导热油经油泵6回到导热油箱9。上述热电联用模块1中的流道中流动的是SiO₂-乙二醇/导热油VP-1纳米流体，利用该纳米流体良好的导热特性和分频分光特性提高光伏组件发电效率。

如图2、图3、图4所示，上述热电联用模块1包括流道1-1、太阳能电池板1-2、集热管1-3、下肋片1-6、上肋片1-7、热电偶1-8、光学玻璃1-10、流道进口1-11、流道出口1-12；

热电联用模块1面向阳光倾斜放置，热电联用模块1的表面设置光学玻璃层1-10，热电联用模块1的上端设置集热管出口1-13，下端设置集热管进口1-9；热电联用模块1的的侧方设置流道进口1-11与流道出口1-12，进口联箱6连接环形流道进口1-11；出口联箱2连接流道出口1-12；

太阳能电池板1-2的上表面、下表面以及下底面形成一个完整流道1-1，太阳能电池板1-2的下底面处设置集热管1-3，集热管1-3的上方设置上肋片1-7，下方设置下肋片1-6，下肋片1-6、上肋片1-7将集热管1-3固定，集热管1-3设置集热管进口1-9与集热管出口1-13，导热油箱9连接集热管进口1-9，换热器7连接集热管出口1-13。

上述太阳能电池板1-2的上表面与下表面处设置用于支撑光伏组件的支撑卡槽1-5，位于太阳能电池板1-2的下表面处的支撑卡槽1-5设置若干用于增加流体换热的肋片组1-4。

上述上肋片1-7上方设置热电偶1-8，用于检测纳米流体温度。

上述温度传感器热电偶1-8使用安捷伦数据采集仪进行数据采集，根据采集数据对电子调节阀阀门开度进行控制，从而控制纳米流体的流量。

如图5所示，上述集热管1-3的圆形内壁设置若干凹槽。一方面增大换热面面积，另一方面破化流体黏性底层减小黏度。所述集热管与外回路相接，回路中导热油受热后通过外回路换热器输出热量。

如图6所示，上述热电偶1-8采集上层流道出口处纳米流体的温度，由变送单元把温度参数转换成统一标准电流信号，输送给调节单元。调节单元将变送单元送来的被调量信号同给定单元送来的定值温度信号的偏差，按一定的调节规律，给调节器发出调节指令。执行单元依据调节单元来的信号对电子调节阀5的阀门开度进行调节。

本发明的工作原理如下：

内循环中，纳米流体水箱4中的SiO₂-乙二醇/导热油VP-1纳米流体通过进口水泵5增加动力后进入进口联箱6进行流量分配，流入各处的安装有流道1-1的热电联用模块1中。热电联用模块1中，SiO₂-乙二醇/导热油VP-1纳米流体由流道进口1-11进入流道1-1，在流道1-1上层选择性吸收导致太阳能电池板1-2发热的太阳光红外波段，使得入射到太阳能电池板1-2的太阳光主要用于发电。升温后的纳米流体流经换热流道与集热管1-3进行对流换热，使得集热管1-3中导热油升温，同时纳米流体降温。流经流道1-1下层的纳米流体与太阳能电池板1-2直接换热使之降温，并通过肋片组1-4增强换热过程。经过热电联用模块1后的纳米流体通过流道出口1-12在出口联箱2中进行混合，再经过水泵3提供动力后重新流入纳米流体水箱4。外循环中，导热油由集热管进口1-9进入集热管1-3，集热管1-3通过下肋片1-6和上肋片1-7加持。经过纳米流体加热的导热油通过集热管出口1-13进入换热器7输出热量，并由油泵8提供动力后回到导热油箱9。至此，整个系统完成一次完整的外循环和内循环流动。对于控制环节，上肋片1-7设置热电偶1-8，数据使用安捷伦数据采集仪进行采集，根据采集数据对电子调节阀阀门开度进行控制，从而控制纳米流体的流量。如果采集数据显示流道内纳米流体温度偏低，压力偏小，控制器调控电子调节阀5减小流量；反之增大流量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。