CN104601103B - 磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置 - Google Patents

磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，包括光伏电池组件模块，还包括光伏电池组件冷却组件、光热组件和磁场调节组件；所述光伏电池组件冷却组件包括第一联箱、第二联箱和呈蛇形状的冷却管；所述光热组件包括循环泵、换热器、多个呈透明状的集热管、以及若干个匀光体、菲涅尔透镜和框架，所述匀光体是多棱透镜，且多棱透镜的上表面的面积大于其底部面积；所述磁场调节组件包括蛇形磁铁和缠绕在蛇形磁铁臂上的线圈，相邻的两个磁铁臂之间均有一个集热管，蛇形磁铁与多个集热管处于在同一平面上；所述第一联箱、冷却管、第二联箱、集热管、换热器和循环泵内均有纳米流体。本发明具有结构简单，而且能提高太阳能利用率等优点。

Description

磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置
技术领域
本发明涉及一种光伏热电联产装置，具体涉及一种磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置。
背景技术
由于太阳能资源丰富，而现今社会要追求节约能源，因此，太阳能的开发利用具有极大的潜力。目前，太阳能的利用技术主要有光热转换、光伏发电等基本方式。然而，虽然光伏发电可以得到高品位的电能产品，但其主要问题是光电转换效率较低，使得造价成本较高，而且可利用的太阳光的光谱频段范围较窄，已有技术中的普通光伏电池的转换效率也只在10%-20%左右。对太阳能光热的利用主要集中在红外部分，而且转换效率相对较高。若是能对太阳光的全波段进行利用，将能够很大程度上太阳能的利用率。
传统的平板式PV/T（光电、光热一体化）系统由光伏电池组件模块供电，而光伏电池组件模块在工作过程中会产生大量热会影响光电的转化效率，由于光电转化效率会随温度的升高而降低，冷却工质便通过与光伏电池组件模块的换热，以达到降低板温和产生热工质的目的，这样，既提高了光电转化效率，又一定程度上满足了热负荷。但是，往往这种供热效果不尽人意，一般夏季热水温度可达到40-60℃，而冬季的水温仅有10-30℃左右，这样对太阳光能的利用率依然不能满足需求。
发明内容
本发明的目的是：提供一种不仅结构简单，而且能提高太阳能利用率的磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，以克服现有技术的不足。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，包括光伏电池组件模块，所述光伏电池组件模块由若干个呈矩阵式排布的光伏电池组件构成，还包括光伏电池组件冷却组件、光热组件和磁场调节组件；
所述光伏电池组件冷却组件包括第一联箱、第二联箱和呈蛇形状的冷却管，所述冷却管装在光伏电池组件模块的光伏电池组件的背面，第一联箱和第二联箱通过冷却管连通；
所述光伏电池组件模块的背面还设有保温层，所述冷却管设置在保温层内；
所述光热组件包括循环泵、换热器、多个呈透明状的集热管、以及若干个匀光体、菲涅尔透镜和框架，所述匀光体是多棱透镜，且多棱透镜的上表面的面积大于其底部面积；
所述多个集热管分开且平行设置在光伏电池组件模块每行的光伏电池组件的正面，若干个匀光体分别固定连接在相应的集热管的正面，且每一个匀光体均位于相应的光伏电池组件的正面方向，所述框架间隔一定距离地设置在匀光体的正面方向，所述菲涅尔透镜在框架上呈矩阵式布置，且每一个匀光体正面方向均有一个菲涅尔透镜；
所述循环泵的出口与换热器的进口相连通，换热器的出口与冷却管的进口相连通，冷却管的出口与第一联箱的进口相连通，每个集热管的一端均与第一联箱的出口相连通，每个集热管的另一端均与第二联箱的进口相连通，第二联箱的出口与循环泵的进口相连通；
所述磁场调节组件包括蛇形磁铁和缠绕在蛇形磁铁臂上的线圈，相邻的两个磁铁臂之间均有一个集热管，蛇形磁铁与多个集热管处于在同一平面上, 所述线圈与可调电源电连接；
所述第一联箱、冷却管、第二联箱、集热管、换热器和循环泵内均有纳米流体。
在上述技术方案中，所述纳米流体是 Fe3O4、或者是TiO2、或者是壳芯式结构的纳米颗粒，所述壳芯式结构的纳米颗粒的外壳是SiO2、而内芯是Fe3O4、或者是TiO2、或者是Ni、或者是Co。
在上述技术方案中，所述冷却管通过导热胶粘在光伏电池组件的背面，所述冷却管背面有保温层，所述保温层是聚苯乙烯泡沫塑料、或者是石棉、或者是聚氨酯材料制成的板。
在上述技术方案中，所述光伏电池组件的背面还设有隔板，所述隔板连接在保温层的背离光伏电池组件背面的一侧。
在上述技术方案中，所述第一联箱和第二联箱分别位于光伏电池组件模块的两侧，所述框架与匀光体之间的间隔距离控制在10mm～50mm范围内。
在上述技术方案中，还包括左右安装架，所述框架的两端分别架设在左右安装架上，且框架与匀光体之间的间隔距离控制在10mm～50mm范围内。
在上述技术方案中，所述换热器包括注有换热介质的箱体和换热管，换热管大部分位于箱体内，所述换热器的进口和出口分别是换热管的两端且露在箱体外，所述换热管是蛇形管或者是盘管。
本发明所具有的积极效果是：由于采用本发明的联产装置后，本发明具有的优点为，
1、太阳能辐射的全波段频谱的充分利用：可见光是电能的主要来源，红外光是热能的主要来源，通过磁场调节组件调节纳米流体的光学特性，使得磁纳米流体能高效率的吸收红外光的能量，而光伏电池组件模块吸收可见光的能量能进行光电转化，所述光伏电池组件模块的转换效率在12%～25%左右，本发明能对太阳能全波段光谱进行充分利用，是一种高效利用太阳能的手段。
2、光伏电池组件模块的二重降温：在工作温度范围内，本发明的光伏电池组件模块的光电转化效率会随着温度上升而降低，那是因为，经本发明所述光伏电池组件冷却组件的换热器冷却的纳米流体循环后流过光伏电池组件模块背面的冷却管，并能与光伏电池组件模块进行换热，以达到降温的效果，从而提高光伏电池组件模块的光电转换效率。更为重要的是纳米磁流体能够吸收太阳辐射中大部分的红外光，利用了光伏电池组件模块无法进行光电转化的红外光谱，从而也降低了光伏电池组件模块的温度。这也使得纳米流体能够获得比常规的背板冷却式的光伏热一体化装置的更高的温度。
3、可调控的热电输出：本发明的磁场调节组件能对纳米流体的吸收、折射特性进行相应调整，在磁场的作用下，增强了纳米流体的吸收特性和传热特性，透射率降低，且在一定磁场强度范围内，纳米流体的吸收特性和传热特性随磁场强度的增强而增强，进而为光伏热一体化装置的热电输出的可调性提供一种可能，为用户的热电需求的不同提供了灵活性。
附图说明
图1是本发明一种具体实施方式的主视图；
图2是图1的A-A剖视示意图；
图3是图1的B-B剖视示意图；
图4是图3的C-C剖视示意图；
图5是本发明换热器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
如图1、2、3、4、5所示，一种磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，包括光伏电池组件模块1，所述光伏电池组件模块1由若干个呈矩阵式排布的光伏电池组件1-1构成，还包括光伏电池组件冷却组件2、光热组件3和磁场调节组件4；
所述光伏电池组件冷却组件2包括第一联箱2-1、第二联箱2-3和呈蛇形状的冷却管2-2，所述冷却管2-2装在光伏电池组件模块1的光伏电池组件1-1的背面，第一联箱2-1和第二联箱2-3通过冷却管2-2连通；
所述光伏电池组件模块1的背面还设有保温层9，所述冷却管2-2设置在保温层9内；
所述光热组件3包括循环泵3-4、换热器3-5、多个呈透明状的集热管3-3、以及若干个匀光体3-2、菲涅尔透镜3-1和框架10，所述匀光体3-2是多棱透镜，且多棱透镜的上表面的面积大于其底部面积；
多个集热管3-3分开且平行设置在光伏电池组件模块1每行的光伏电池组件1-1的正面，多个集热管3-3连通，若干个匀光体3-2分别固定连接在相应的集热管3-3的正面，且每一个匀光体3-2均位于相应的光伏电池组件1-1的正面方向，所述框架10间隔一定距离地设置在匀光体3-2的正面方向，所述菲涅尔透镜3-1在框架10上呈矩阵式布置，且每一个匀光体3-2正面方向均有一个菲涅尔透镜3-1，
所述循环泵3-4的出口与换热器3-5的进口3-5-1相连通，换热器3-5的出口3-5-2与冷却管2-2的进口2-2-1相连通，冷却管2-2的出口2-2-2与第一联箱2-1的进口2-1-2相连通，每个集热管3-3的一端均与第一联箱2-1的出口2-1-1相连通，每个集热管3-3的另一端均与第二联箱2-3的进口2-3-1相连通，第二联箱2-3的出口2-3-2与循环泵3-4的进口相连通；
所述磁场调节组件4包括蛇形磁铁4-1和缠绕在蛇形磁铁4-1臂上的线圈4-2，相邻的两个磁铁4-1臂之间均有一个集热管3-3，蛇形磁铁4-1与多个集热管3-3处于在同一平面上，所述线圈4-2与可调电源8电连接；
所述第一联箱2-1、冷却管2-2、第二联箱2-3、集热管3-3、换热器3-5和循环泵3-4内均有纳米流体。
所述纳米流体是 Fe3O4、或者是TiO2、或者是壳芯式结构的纳米颗粒，所述壳芯式结构的纳米颗粒的外壳是SiO2、而内芯是Fe3O4、或者是TiO2、或者是Ni、或者是Co。所述纳米流体是纳米超微颗粒，而纳米的超微颗粒粒径平均在20nm-50nm范围内，且粒径体积的百分比浓度为1～3%。
如图2所示，为了提高导热性，以及防止与外界环境进行热量交换，所述冷却管2-2通过导热胶粘在光伏电池组件1-1的背面，所述冷却管2-2背面有保温层9，所述保温层9是聚苯乙烯泡沫塑料、或者是石棉、或者是聚氨酯材料制成的板。
如图2所示，为了便于固定保温层9，所述光伏电池组件1-1的背面还设有隔板5，所述隔板5连接在保温层9的背离光伏电池组件1-1背面的一侧。
如图1所示，为了使得本发明结构布置的更加合理、紧凑，以及使得本发明的散热性好，所述第一联箱2-1和第二联箱2-3分别位于光伏电池组件模块1的两侧，所述框架10与匀光体3-2之间的间隔距离控制在10mm～50mm范围内。
如图2、3所示，为了进一步提高本发明的合理性，还包括左右安装架7，所述框架10的两端分别架设在左右安装架7上，且框架10与匀光体3-2之间的间隔距离控制在10mm～50mm范围内。
如图1所示，所述的可调电源8是可调节的直流电压源，用于线圈4-2的电磁效应产生磁场，通过改变可调电源8输出的直流电压，可调节磁场大小，进而改变纳米流体在不同的磁感应强度下有不同的特性，即能调节纳米流体对太阳能红外光频谱段的吸收或者折射特性，并以此满足实际情况的需求。
如图5所示，为了使得本发明更加合理、紧凑，所述换热器3-5包括注有换热介质的箱体3-5-3和换热管3-5-4，换热管3-5-4大部分位于箱体3-5-3内，所述换热器3-5的进口3-5-1和出口3-5-2分别是换热管3-5-4的两端且露在箱体3-5-3外，所述换热管3-5-4是蛇形管或者是盘管。
本发明能对太阳能光谱进行充分利用，并提供一种提高纳米流体传热性能的手段，通过磁场调节组件调节纳米流体的光学特性，使得磁纳米流体能高效率的吸收红外光的能量，而光伏电池组件模块吸收可见光的能量能进行光电转化，所述光伏电池组件模块的转换效率在12%～25%左右；经本发明所述光热组件的换热器冷却的纳米流体循环后流过光伏电池板背面的冷却管，并能与光伏电池组件模块进行换热，以达到降温的效果，从而提高光伏电池组件模块的光电转换效率；本发明的磁场调节组件能对纳米流体的吸收、折射特性进行相应调整，在磁场的作用下，增强了纳米流体的吸收特性和传热特性，透射率降低，且在一定磁场强度范围内，纳米流体的吸收特性和传热特性随磁场强度的增强而增强。

Claims (7)

1.一种磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，包括光伏电池组件模块（1），所述光伏电池组件模块（1）由若干个呈矩阵式排布的光伏电池组件（1-1）构成，其特征在于：还包括光伏电池组件冷却组件（2）、光热组件（3）和磁场调节组件（4）；
所述光伏电池组件冷却组件（2）包括第一联箱（2-1）、第二联箱（2-3）和呈蛇形状的冷却管（2-2），所述冷却管（2-2）装在光伏电池组件模块（1）的光伏电池组件（1-1）的背面，第一联箱（2-1）和第二联箱（2-3）通过冷却管（2-2）连通；
所述光伏电池组件模块（1）的背面还设有保温层（9），所述冷却管（2-2）设置在保温层（9）内；
所述光热组件（3）包括循环泵（3-4）、换热器（3-5）、多个呈透明状的集热管（3-3）、以及若干个匀光体（3-2）、菲涅尔透镜（3-1）和框架（10），所述匀光体（3-2）是多棱透镜，且多棱透镜的上表面的面积大于其底部面积；
所述多个集热管（3-3）分开且平行设置在光伏电池组件模块（1）每行的光伏电池组件（1-1）的正面，若干个匀光体（3-2）分别固定连接在相应的集热管（3-3）的正面，且每一个匀光体（3-2）均位于相应的光伏电池组件（1-1）的正面方向，所述框架（10）间隔一定距离地设置在匀光体（3-2）的正面方向，所述菲涅尔透镜（3-1）在框架（10）上呈矩阵式布置，且每一个匀光体（3-2）正面方向均有一个菲涅尔透镜（3-1）；
所述循环泵（3-4）的出口与换热器（3-5）的进口（3-5-1）相连通，换热器（3-5）的出口（3-5-2）与冷却管（2-2）的进口（2-2-1）相连通，冷却管（2-2）的出口（2-2-2）与第一联箱（2-1）的进口（2-1-2）相连通，每个集热管（3-3）的一端均与第一联箱（2-1）的出口（2-1-1）相连通，每个集热管（3-3）的另一端均与第二联箱（2-3）的进口（2-3-1）相连通，第二联箱（2-3）的出口（2-3-2）与循环泵（3-4）的进口相连通；
所述磁场调节组件（4）包括蛇形磁铁（4-1）和缠绕在蛇形磁铁（4-1）臂上的线圈（4-2），相邻的两个磁铁（4-1）臂之间均有一个集热管（3-3），蛇形磁铁（4-1）与多个集热管（3-3）处于在同一平面上， 所述线圈（4-2）与可调电源（8）电连接；
所述第一联箱（2-1）、冷却管（2-2）、第二联箱（2-3）、集热管（3-3）、换热器（3-5）和循环泵（3-4）内均有纳米流体。
2.根据权利要求1所述的磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，其特征在于：所述纳米流体是 Fe3O4、或者是TiO2、或者是壳芯式结构的纳米颗粒，所述壳芯式结构的纳米颗粒的外壳是SiO2、而内芯是Fe3O4、或者是TiO2、或者是Ni、或者是Co。
3. 根据权利要求1所述的磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，其特征在于：所述冷却管（2-2）通过导热胶粘在光伏电池组件（1-1）的背面，所述冷却管（2-2）背面有保温层（9），所述保温层（9）是聚苯乙烯泡沫塑料、或者是石棉、或者是聚氨酯材料制成的板。
4.根据权利要求1所述的磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，其特征在于：所述光伏电池组件（1-1）的背面还设有隔板（5），所述隔板（5）连接在保温层（9）的背离光伏电池组件（1-1）背面的一侧。
5.根据权利要求1所述的磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，其特征在于：所述第一联箱（2-1）和第二联箱（2-3）分别位于光伏电池组件模块（1）的两侧，所述框架（10）与匀光体（3-2）之间的间隔距离控制在10mm～50mm范围内。
6.根据权利要求1所述的磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，其特征在于：还包括左右安装架（7），所述框架（10）的两端分别架设在左右安装架（7）上，且框架（10）与匀光体（3-2）之间的间隔距离控制在10mm～50mm范围内。
7.根据权利要求1所述的磁纳米流体聚光式光伏热电联产装置，其特征在于：所述换热器（3-5）包括注有换热介质的箱体（3-5-3）和换热管（3-5-4），换热管（3-5-4）大部分位于箱体（3-5-3）内，所述换热器（3-5）的进口（3-5-1）和出口（3-5-2）分别是换热管（3-5-4）的两端且露在箱体（3-5-3）外，所述换热管（3-5-4）是蛇形管或者是盘管。
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