CN107612500A

CN107612500A - 一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统

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Publication number: CN107612500A
Application number: CN201710627449.4A
Authority: CN
Inventors: 范玮卫; 赵佳飞; 李都禹
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: CN107612500B

Abstract

本发明属于新能源开发与利用技术领域，公开了一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统。装置包括透光玻璃板、太阳能电池板、太阳能电池支板、循环管道、绝热隔板，循环管道依次通过换热器、循环泵和调节阀。循环管道中通过DAC纳米工作流体，从光电单元下方预热后流至光热单元的两层透光玻璃板之间，经换热器换热后回流构成循环，具有分光和吸热冷却的双重作用。同时在循环管道内增设湍流圆柱体提高DAC纳米工作流体流速，加快对流换热的效率。本发明结构简单，成本较低，光电光热得到综合利用的同时做到光电光热单元分离，热结合问题得到解决，热利用率和光伏转化效率明显提高，市场应用前景广阔。

Description

一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统

技术领域

本发明属于新能源开发与利用技术领域，涉及一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统。

背景技术

我国太阳能资源丰富，百分之六十以上地区年辐射量大于5000MJ/m²、年日照时长在2200小时以上。随着经济的高速发展，社会对于传统化石能源的需求急剧增长，导致化石能源消耗加剧，造成能源短缺的同时还引起了一系列的环境污染和气候变暖等问题。因此作为清洁能源，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、光化学转换等基本方式。光伏发电可以获得高品位的电能产品，但其主要面临的问题是光电转换效率比较低，成本高，对太阳光的波段利用范围较窄。光热转换主要特点是效率高、成本低，几乎可以对太阳能的全波段进行利用，太阳能电热联合利用系统与传统的光伏系统、光热系统相比，具有较为明显的优点。在产能方面：电热联合利用系统在利用太阳电池产电的同时，可以回收利用余热，提高系统的总输出能。在太阳能利用效率方面：电热联合利用系统的光热光电总输出效率高于相应面积的传统光伏或光热系统，而光伏发电结合低温光热的集成技术可以对太阳能全波段能量进行一体化利用，既可以获得高品位电能，又将大大提高太阳能的综合利用效率。

国内外对光电、光热的复合研究，已经做了大量理论和实验工作，重点研究了PV/T(Photovoltaic/Thermal)复合系统。太阳能电热联产系统根据是否采用聚光技术可以分为：(1)平板式太阳能电热联产系统；(2)聚光太阳能电热联产系统(CPV/T)。PV/T系统由太阳能电池板供电，电池板工作中产生的热被冷却系统带走以供热水。由于太阳能电池板的光电转换效率随着温度的升高呈线性递减，因此冷却系统在获得热的同时还可以提高电池板的效率，一般可采用气冷或水冷。在气冷式中，空气作为冷却工质，空气可以在通道里自然循环或强制循环来冷却太阳电池。自然循环冷却可以减小通道面积，但冷却效果差，强制循环可以增强换热，有效降低电池工作温度，但风机的使用，使得系统有效电能输出降低。水冷式太阳能电热联用系统采用在电池板表面冷却，要求冷却工质的吸收峰与太阳电池的吸收峰尽可能没有重叠，目前均采用水作为冷却工质，由于水的热容较大，与电池板的换热稳定，换热效率高，相同功率的风机或泵驱动空气或水，则水冷式电热联用系统输出的有效能(电能、热能)较多。

但是传统的电热利用系统主要存在以下问题：传统的太阳能电热利用主要依靠热系统冷却电系统回收热能，导致了太阳电热联合利用系统不能工作在高温下。随太阳电池温度提高，电池的逆向饱和电流增加，电路开路电压下降，太阳电池的吸收能带降低，电池所产生的短路电流增加，同时太阳辐射的红外部分的能量主要在电池表面生成热能，造成了能量的浪费，使得太阳电池效率降低，红外区辐射的负效应明显。

上世纪80年代研究者提出了太阳能直接吸收技术(Direct absorptioncollection DAC)，该技术是利用纳米超微颗粒分散在工作流体中，利用流体直接对太阳辐射进行全波段或部分波段的吸收仅仅完成光热转换。基于DAC将纳米颗粒分散于不同的流体介质中被广泛的利用在了太阳能集热系统中。如对于水，熔盐，熔盐混合物等流体在太阳能可见光波段的吸收率比较低，而可见光波段恰恰集中了太阳光的50％左右的能量，利用小颗粒的强吸收特性，炭黑与金属氧化物等附加纳米颗粒的添加被用来增强流体对于可见光和近红外光的全波段吸收。

采用太阳能直接吸收技术的太阳能热利用系统目前在工程中已经得到广泛的应用，该类系统主要的特点在于采用分散了纳米超微颗粒的工作流体对太阳辐射进行直接吸收利用；另外采用太阳能直接吸收技术的此类系统在结构设计上与传统的太阳能热利用系统相比具有结构简单应用成本低的特点；由于在该类系统中太阳能辐射波是在工作流体体系中整体吸收，大大提高了系统对太阳能辐射的热吸收率；并且采用工作流体对热能进行直接吸收，简化了系统结构同时减小了热传递中的热损失，有利于提高系统的热利用效率，因此太阳能直接吸收技术在太阳能热利用和热点转化方面有着重要的工程实际应用价值。

然而，这种利用DAC来进行太阳能热利用的系统仍然较为局限，随着时代的发展，社会对于电能的需求进一步增加，而太阳能电池又有许多的改进空间，如发电过程中的冷却问题，效率较低的问题等。因此将DAC与太阳能电热联合利用系统(PV/T)结合就有其必要性和意义。

总体上，本发明在已有传统的太阳能电热联用系统(PV/T)的基础上，结合太阳能直接吸收技术(DAC)，对传统的太阳能电热联用系统进行结构改进，并以纳米流体工质作为光热转换工质，而并不局限于只将DAC应用于太阳能集热，更多的是利用最新发现的DAC的分光作用提升太阳能电池的效率，实现了对太阳能辐射的分光分波段利用，提高了光热光电转换效率的同时避免了光热单元工作温度受到光电单元工作温度的限制，减少了太阳辐射中红外部分的热浪费和负作用。是一项紧紧抓住纳米工作流体对于太阳辐射选择性吸收并充分利用可见光范围进行光电转换和充分利用红外部分和可见光部分进行光热转换的高效率低成本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，包括光热光电转换装置、循环管道、调节阀、循环泵和换热器；光热光电转换装置两侧通过循环管道依次连接调节阀、循环泵和换热器，形成一个闭合管路；光热光电转换装置包括光电和光热两个单元，光热单元在光电单元上方，与光电单元之间由空气层隔开。

光热光电转换装置具体包括湍流圆柱体和互相平行的透光玻璃板a、透光玻璃板b、太阳能电池板、太阳电池支板、绝热隔板；

其中，透光玻璃板a、b中间为DAC纳米工作流体通道，两侧接循环管道，透光玻璃板a、b厚度为0.005～0.015m，DAC纳米工作流体通道上下玻璃板面间的距离为0.049～0.051m；循环管道内径为0.049～0.051m；所述DAC纳米工作流体的期望辐射性能为：波长为200nm～800nm，可见光透射率T_des＝1；波长为800nm～2000nm，红外辐射吸收率A_des＝1；

太阳能电池板距离透光玻璃板b下侧面0.01～0.02m，其间为空气通道；太阳能电池板长为150～160mm，宽为150～160mm，下方通过粘合连接太阳能电池支板，支板厚度为0.049～0.051m；太阳能电池支板下侧粘结循环管道上侧壁，循环管道下侧壁粘结绝热隔板，其厚度为0.1～0.2m；

所述透光玻璃板a、b中间的DAC纳米工作流体通道和太阳能电池支板下侧粘结的循环管道内均布置有湍流圆柱体；

DAC纳米工作流体通过循环泵依次流经太阳能电池支板下的循环管道(预热)、透光玻璃板a、b中间的DAC纳米工作流体通道(集热)、换热器、调节阀再进循环泵，完成系统循环。

进一步地，上述湍流圆柱体直径为循环管道内径的三分之一。

进一步地，上述湍流圆柱体的布置方式为，垂直于太阳能电池板，沿循环管道轴线方向依次等距布置湍流圆柱体，同时，相邻两个湍流圆柱体的连线中点位置，镜像布置两个湍流圆柱体。以减少流道平均面积，增加局部漩涡的生成，通过循环泵控制流速使之形成湍流流态，增大对流换热效率。

进一步地，上述所述DAC纳米工作流体包括纳米颗粒和水，纳米颗粒包括炭黑、钴和铜的氧化物，纳米颗粒占DAC纳米工作流体的质量百分数为40％～50％；纳米颗粒的粒径为35～2500nm之间。该流体对太阳辐射有选择性吸收特性，即对太阳电池主要利用的可见光(200～800nm)波段具有高透射率，对产生负作用的红外部分(800～1000nm)有高吸收率。太阳光照射到透光玻璃隔板a上后几乎全部透过，进入DAC纳米工作流体进行红外光部分的吸收和可见光部分的透过，透过部分经过透光玻璃隔板b和空气层进入光电单元。

分光之后的太阳光进入后先投射到太阳能电池板上，太阳能电池板对其工作部分相关波长的光进行吸收和光电转换，剩余未利用的光的热能以及电池工作时的热能通过导热性良好的太阳能电池支板，进入下方通有DAC纳米工作流体的管道使得流体进行预热。

进一步地，上述绝热隔板包括聚苯乙烯泡沫塑料和木屑，起到保温的作用。

本发明的有益效果

1)太阳能光热、光电利用：本发明利用DAC纳米工作流体对太阳能实现选择性吸收的电热联合利用，在提高电池光伏转化效率、强化光电利用的同时，又保证得到高温热量，实现了优化整体电热联合利用的效果；

2)提高效率：由于本发明利用了太阳能直接吸收技术，超微纳米颗粒的加入大大增强了太阳能的吸收，减少了对太阳能辐射的散射，减少了红外部分在光电单元负效应，保证系统高的光热转换效率的同时也提高了光电转换效率；

3)减少温度限制：本发明以纳米流体工质为光热转换工质，对太阳红外辐射直接吸收，同时使大部分可见光透过入射在光伏单元进行光电转换，进而达到对太阳能辐射的分光分波段利用。系统中采用光热单元与光电单元分离，减少了两者结构上的热结合问题，避免光热单元工作温度受到光电单元工作温度的限制。

附图说明

图1是本发明的基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统示意图。

图2是该系统中光热光电转换装置的结构示意图。

图3是该光热光电转换装置的截面图。

图中：1光热光电转换装置；2循环管道；3调节阀；4循环泵；5换热器；6透光玻璃板a；7 DAC纳米工作流体；8透光玻璃板b；9太阳能电池板；10太阳电池支板；11绝热隔板；12湍流圆柱体。

具体实施方式

本发明中太阳辐射投射在光热单元的上层玻璃上，辐射能量几乎全部透过，此时纳米流体作为工质对太阳辐射在整个体系内进行光热转换。由于纳米流体对于太阳辐射的选择吸收特性，纳米流体将在800nm到2000nm波段高效率吸收红外辐射，同时使得波长在200nm到800nm的可见光透射过光热单元进入光电单元被电池吸收进行光电转化。

本发明应用太阳能直接吸收技术结合高效光热转化、光电转化技术，拟采用分散有炭黑和金属(钴和铜)氧化物纳米颗粒的DAC纳米工作流体作为吸热工质，利用单晶硅电池进行光电转换，向外界提供电能。如附图所示

1)太阳光透过6透光玻璃板a照射到DAC纳米工作流体7上，利用其对红外部分的吸收和对可见光部分的透过，将可见光大部分透过下方的8透光玻璃板b，使其进入光电单元，同时吸收热量。

2)进入光热单元前纳米流体先进入光电单元中预热，吸收太阳能电池板9通过光热单元分光得到的光能发电产生的热量以及部分红外部分产生的热量，太阳能电池由太阳能电池支板10支撑。

3)纳米工作流体首先进入光电单元预热，之后工作流体由光电单元到光热单元，吸收热量后流经换热器5进行热量的利用，冷却后的工质再返回光电单元预热进行下一轮循环。整个循环由循环泵4和调节阀3控制和调节，从而达到合理分配系统中电热的利用的目的。整个循环通过循环管道2实现。

4)光电单元与光热单元用空气层隔开。同时装置下部由绝热隔板11保温。如附图所示，在光热单元中上下玻璃隔板6，8的厚度设置为0.01m，DAC纳米工作流体层7厚度设置为0.05m。当周围空气的折射率为1，吸收因子为0，取系统光热单元工作压力为1.4个大气压，空气温度为25℃，且DAC纳米工作流体不发生相变，DAC纳米工作流体流动为湍流，此时可计算得太阳能电池和流体的对流换热系数。在光电单元中太阳电池在25℃时的光电效率η₀＝0.12，温度因子β＝0.0045，由此计算的太阳电池背面支板热阻为0.0019Km²/W。

此外，设定太阳能电池板的规格为156mm×156mm，设定冷却工质的质量流量为76kg/h，聚光条件下冷却流量为96kg/h，太阳能电池板吸收系数为0.92，太阳能电池板的发射率为0.9，透光玻璃板发射率为0.9，透光玻璃板导热系数为0.9W/mK，DAC纳米工作流体导热系数为0.62W/mK，取DAC纳米工作流体入口温度与空气温度一致，同时设置DAC纳米工作流体在光热系统中流经的管道2当量直径为0.18m，在光电单元中预热管道的当量直径为0.04m。由此计算出应用DAC纳米工作流体的该系统光热单元在可见光部分的平均透射率达到了86％，而在红外光部分的平均吸收率达到了89％，对于可见光的透射率和红外波段的吸收率与采用水相比有所提高，综合考虑系统光电光热效率，该基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统的装置具有太阳能综合利用效率高的特点，尤其利于使用于聚光系统中。

5)湍流圆柱体以1，2，1，2，1的循环布置方式布置，以减少流道平均面积，增加局部漩涡的生成，通过循环泵控制流速使之形成湍流流态，增大对流换热效率。取其直径为DAC纳米工作流体层7厚度的三分之一，即为0.167m。

本发明针对太阳辐射能的光电和光热复合利用，结合太阳能直接吸收技术，使得在得到高品质热量的同时，减少了红外辐射对于光电单元中电池的负效应，使得太阳能光伏转化效率明显提高，太阳能综合利用效率大大改善。同时由于所需分散的纳米颗粒量较少，且可以工作在低工质循环流量下，有效的减少系统耗能的同时提高系统的产热能力，成本较低，有着非常广泛的市场应用前景。

Claims

1.一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，包括光热光电转换装置、循环管道、调节阀、循环泵和换热器；光热光电转换装置两侧通过循环管道依次连接调节阀、循环泵和换热器，形成一个闭合管路；其特征在于，光热光电转换装置包括湍流圆柱体和互相平行的透光玻璃板a、透光玻璃板b、太阳能电池板、太阳电池支板、绝热隔板；

DAC纳米工作流体通过循环泵依次流经太阳能电池支板下的循环管道、透光玻璃板a、b中间的DAC纳米工作流体通道、换热器、调节阀再进循环泵，完成系统循环。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，其特征在于，湍流圆柱体直径为循环管道内径的三分之一。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，其特征在于，湍流圆柱体的布置方式为，垂直于太阳能电池板，沿循环管道轴线方向依次等距布置湍流圆柱体，同时，相邻两个湍流圆柱体的连线中点位置，镜像布置两个湍流圆柱体。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，其特征在于，所述DAC纳米工作流体包括纳米颗粒和水，纳米颗粒包括炭黑、钴和铜的氧化物，纳米颗粒占DAC纳米工作流体的质量百分数为40％～50％；纳米颗粒的粒径为35～2500nm之间。

5.根据权利要求3所述的一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，其特征在于，所述DAC纳米工作流体包括纳米颗粒和水，纳米颗粒包括炭黑、钴和铜的氧化物，纳米颗粒占DAC纳米工作流体的质量百分数为40％～50％；纳米颗粒的粒径为35～2500nm之间。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，其特征在于，所述绝热隔板包括聚苯乙烯泡沫塑料和木屑。

7.根据权利要求3所述的一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，其特征在于，所述绝热隔板包括聚苯乙烯泡沫塑料和木屑。

8.根据权利要求4所述的一种基于太阳能辐射选择性吸收的电热联合利用系统，其特征在于，所述绝热隔板包括聚苯乙烯泡沫塑料和木屑。