CN111262522A - 喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，包括匀光收集器、喷雾冷却模块和光伏组件；匀光收集器形状近似于椭圆抛物面形,包括菲涅尔透镜、凸透镜和匀光器，凸透镜环绕安装在椭圆抛物面侧壁上，菲涅尔透镜安装在椭圆抛物面的敞口处，匀光器设置在椭圆抛物面底部，对收集的光线进行整形；喷雾冷却模块包括喷雾冷却室和冷却工质循环管路，光伏组件与用电设备连接，一面与匀光器相对，接收来自匀光收集器的光线，另一面位于喷雾冷却室中，冷却工质循环管路向喷雾冷却室中输送冷却工质对光伏组件进行冷却。本系统采用菲涅尔透镜聚光，节约了材料和空间，提高了聚光的效率和聚光的均匀性，此外采用的喷雾冷却器散热能力更显著更灵活，能够提供各领域所需的热能和电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能应用领域，尤其涉及一种喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统。
背景技术
随着经济的快速发展，能源短缺和环境污染日益严重，太阳能是世界上最丰富、潜力最大、无污染的，能解决能源危机和环境问题的主要可再生能源之一，已被证明是一种很好的替代能源，并得到了广泛的应用。光伏发电是目前太阳能转化最普遍、最商业化的技术，但光伏电池在高温下效率明显下降，为保证光伏电池的工作效率，需对光伏电池的冷却效率进行改进。
太阳能聚光光伏发电技术，是利用光学聚光组件提高入射到太阳能电池表面的光能量密度，可以减少系统中昂贵太阳能电池的使用，并可大幅度提高系统整体转换效率，是降低发电成本提高发电效率的有效途径。传统的太阳能聚光器大多数依靠一个抛物面型的反射镜进行反射聚光，这种反射镜不仅造价比较高，而且占地面积也比较大，使用起来还存在聚光器光污染环境的现象，因此并不是一种值得推广的理想的聚光器。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其技术方案如下：
喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，包括匀光收集器、喷雾冷却模块和光伏组件；所述匀光收集器形状近似于椭圆抛物面形，包括菲涅尔透镜、凸透镜和匀光器，所述凸透镜环绕安装在椭圆抛物面侧壁上，菲涅尔透镜安装在椭圆抛物面的敞口处，用于收集光线，匀光器设置在椭圆抛物面底部，对收集的光线进行整形；所述喷雾冷却模块包括喷雾冷却室和冷却工质循环管路，所述光伏组件与用电设备连接，向其供电，光伏组件一面与匀光器相对，接收来自匀光收集器的光线，另一面位于所述喷雾冷却室中，冷却工质循环管路向喷雾冷却室中输送冷却工质，冷却工质对喷雾冷却室中的光伏组件进行冷却。
进一步的，所述冷却工质为氧化铜-乙二醇纳米流体，将氧化铜纳米颗粒与乙二醇液体直接混合形成氧化铜-乙二醇纳米流体，氧化铜-乙二醇纳米流体具有高导热性，且能够循环使用。
进一步的，所述喷雾冷却室中设有喷嘴，所述喷嘴为内混式喷嘴。
进一步的，所述内混式喷嘴结构为两个套叠的管道，内管为分散剂进入管，外管为纳米流体进入管，内管中部向外凸出，形成一个混合腔，内混式喷嘴沿液流方向的末端为喷口，所述内外管之间在喷口处封闭，混合腔与喷口贯通，喷口向外呈喇叭口形状，混合腔与外管之间设有流体孔和调节阀，混合完成的冷却工质通过喷口向光伏组件喷射进行降温。
进一步的，纳米流体通过纳米流体管道进入喷雾冷却室，分散剂通过分散剂管道进入喷雾冷却室，所述纳米流体管道和分散剂管道上均装有截止阀、过滤器和流量计。
进一步的，所述喷雾冷却室内设有至少一个内混式喷嘴，每个内混式喷嘴分别与纳米流体管道和分散剂管道连接，纳米流体和分散剂同步输入内混式喷嘴中。
进一步的，所述菲涅尔透镜包括两个以上同心的环带透镜，所述环带透镜的齿距从中心到四周逐渐减小，每个环带透镜的齿高相等，每个环带透镜能独立聚焦形成一个环带散焦，对所述多个环带透镜的齿距、齿高、曲率和圆锥系数进行设定，使多个环带透镜的环带散焦叠加在匀光器处。
进一步的，所述匀光器包括匀光基板、匀光结构层和反射层，所述匀光基板位于匀光结构层和反射层中间，匀光结构层表面凸起的图案呈高斯分布，通过该匀光器能够将高斯分布的入射光束整形为平顶分布的光束。
进一步的，所述匀光收集器数量至少为一个，多个同样的匀光收集器排布在光伏组件同一侧向其投射光线。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用圆弧式菲涅尔透镜聚光，使用多个不连续曲面替代凸透镜或凹透镜的曲面，减小透镜厚度，从而节约了材料和期间的安装空间，提高了聚光的效率。
2.本发明将匀光器安装在菲涅尔透镜的下方，能够将高斯分布的入射光束整形为平顶分布的光束投射到光伏组件上有效地提高太阳光的均匀程度，增加光电转化效率。
3.本发明的冷却工质选用氧化铜-乙二醇作为纳米流体，可以显著增强流体的导热率，最大地提高散热效率，并且纳米流体介质可以循环使用，达到节约冷却工质的作用。
4.本发明的喷雾冷却模块使用截止阀和调节阀，可以控制冷却工质的流量，调整纳米流体与分散剂的混合速度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；
图1为本发明的整体结构系统图；
图2为本发明的菲涅尔透镜聚光原理图；
图3为单个喷嘴的内部构造图；
图4为喷嘴分布系统图；
图5为光伏组件系统图；
图6为匀光器局部构造图；
图中标记为：匀光收集器1、菲涅尔透镜11、凸透镜12、匀光器13、匀光基板13a、匀光结构层13b、反射层13c、喷雾冷却模块2、光伏组件3、电池基板31、光伏电池32、用电设备4、喷雾冷却室5、冷却工质循环管路6、纳米流体管道61、分散剂管道62、回流管道63、截止阀64、过滤器65、流量计66、旋塞67、纳米流体及分散剂分离器68、内混式喷嘴7、混合腔71、喷口72、流体孔73、调节阀74、纳米流体储存罐81、分散剂储存罐82。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
请参阅图1-图6，本发明为一种喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，包括匀光收集器1、喷雾冷却模块2和光伏组件3；所述匀光收集器1安装在光伏组件3一侧，喷雾冷却模块2安装在光伏组件3另一侧，匀光收集器1将聚集的太阳光线投射在光伏组件3上，光伏组件3产生电流，向外部的用电设备4供电；喷雾冷却模块2对光伏组件3喷射冷却工质进行降温，降低光照产生高温对光伏组件3的转换效率的影响。
如图2所示为单个的匀光收集器1，其形状近似椭圆抛物面形，包括菲涅尔透镜11、凸透镜12和匀光器13，所述凸透镜12安装在椭圆抛物面侧壁上，菲涅尔透镜11安装在椭圆抛物面敞口处，用于收集光线，匀光器13设置在椭圆抛物面底部，对收集的光线进行整形；所述菲涅尔透镜11由多个同心的环带透镜组成，所述环带透镜的齿距从中心到四周逐渐减小，每个环带透镜的齿高相等，每个环带透镜能独立聚焦形成一个环带散焦，对所述多个环带透镜的齿距、齿高、曲率和圆锥系数进行设定，使多个环带透镜的环带散焦叠加在匀光器13处。
如图6所示，所述匀光器13包括匀光基板13a、匀光结构层13b和反射层13c，所述匀光基板13a位于匀光结构层13b和反射层13c中间，匀光结构层13b表面凸起的图案呈高斯分布，通过该匀光器13能够将高斯分布的入射光束整形为平顶分布的光束；侧壁的凸透镜12能将散射到侧壁的太阳光线进一步聚集到匀光器13表面。
如图2所示，当太阳光射入菲涅尔透镜11时，多个环带透镜形成的环带散焦叠加在匀光器13表面，匀光器13把来自菲涅尔透镜11和凸透镜12的光线由高斯分布调整成平顶分布均匀投射到电池基板31上，将太阳能转化为电能；所述三个同样的匀光收集器1均匀排布在一侧向光伏组件3投射光线。
所述喷雾冷却模块2包括喷雾冷却室5和冷却工质循环管路6，所述冷却工质循环管路6包括纳米流体管道61、分散剂管道62和回流管道63，所述喷雾冷却室5中设置有15个内混式喷嘴7，按阵列排布在喷雾冷却室5中，每一行5个，每一列3个，纳米流体管道61和分散剂管道62设有3个支路分别通入每一列中，每一列中的两个支路管道再分别与所在行上的5个内混式喷嘴7连接，纳米流体和分散剂从相应储存罐中泵入管道，纳米流体通过纳米流体管道61进入喷雾冷却室5，分散剂通过分散剂管道62进入喷雾冷却室5，纳米流体管道61和分散剂管道62上分别设有截止阀64、过滤器65和流量计66、对流量进行控制，过滤和监测，纳米流体和分散剂在喷雾冷却室5内的每个内混式喷嘴7中混合雾化。
所述纳米流体为氧化铜-乙二醇纳米流体，将氧化铜纳米颗粒与乙二醇液体直接混合形成氧化铜-乙二醇纳米流体，氧化铜-乙二醇纳米流体具有高导热性，能最大程度提高散热效率，并且纳米流体介质循环使用，能达到节约冷却工质的作用；所述分散剂为硅酸钠，硅酸钠作为分散剂能够将纳米颗粒匀称分散于乙二醇液体中，形成稳定漂浮体的制剂，增强纳米流体的稳定留存时间，解决了高热流密度散热问题。
冷却工质在内混式喷嘴7中混合雾化，再喷射到光伏组件3上对其进行降温，使用后的冷却工质在喷雾冷却室5底部汇集，进入回流管道63，并由设置在回流管道63上的纳米流体及分散剂分离器68分解后，分别回到纳米流体储存罐81和分散剂储存罐82中，再次泵入管路中，循环利用。
如图3所示，所述内混式喷嘴7结构为两个套叠的管道，内管为分散剂进入管，外管为纳米流体进入管，内管中部向外凸出，形成一个混合腔71，内混式喷嘴7沿液流方向的末端为喷口72，所述内外管之间在喷口72处封闭，混合腔71与喷口72贯通，喷口72向外呈喇叭口形状，混合腔71与外管之间设有流体孔73和调节阀74，用于将纳米流体以设定流速导入混合腔71，与分散剂混合，混合完成的冷却工质通过喷口72向光伏组件3喷射进行降温。
所述光伏组件3为片状结构，其一面与匀光器13相对，接收来自匀光收集器1的光线，转化为电能，另一面位于所述喷雾冷却室5中，在冷却工质作用下，保证光伏组件3在限定温度下高效工作；如图5所示，所述的光伏组件3包括光伏电池32和电池基板31，光伏电池32是由15片三结砷化镓电池组成，并通过串并联与用电设备4连接供电，光伏电池32焊接在电池基板31上，电池基板31所在的一侧位于所述喷雾冷却室5中，本光伏电池32转化效率能达到30％。
在本系统运行过程中，匀光收集器1将太阳光聚集并投射到光伏电池32上，电池基板31设在喷雾冷却室5内，来自纳米流体储存罐81中的氧化铜-乙二醇纳米流体泵入纳米流体管道61中，经过截止阀64、过滤器65和流量计66进入喷雾冷却室5，来自分散剂储存罐82中的硅酸钠泵入分散剂管道62中，经过截止阀64、过滤器65和流量计66进入喷雾冷却室5，喷雾冷却室5中的喷嘴采用3×5的阵列形式与所述纳米流体管道61、分散剂管道62串并联连接，硅酸钠分散剂通过喷嘴内管进入混合腔71中，氧化铜-乙二醇纳米流体由外管进入内混式喷嘴7中，并经过内外管之间的流体孔73和调节阀74进入混合腔71与硅酸钠分散剂混合雾化，形成喷雾后，由喷口72喷出，喷雾喷射在电池基板31上，对光伏组件3进行降温，使用过后的冷却工质液滴在喷雾冷却室5底部汇集，喷雾冷却室设有旋塞67，拔出旋塞67，冷却工质流入与喷雾冷却室5贯通的回流管道63中，回流管道63上设有纳米流体及分散剂分离器68，将冷却工质重新分离成氧化铜-乙二醇纳米流体和硅酸钠分散剂，并分别经过管道回到各自的储存罐中，循环利用。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述，仅为本发明较佳的几个实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：包括匀光收集器、喷雾冷却模块和光伏组件；所述匀光收集器包括菲涅尔透镜、凸透镜和匀光器，所述凸透镜环绕安装在椭圆抛物面侧壁上，菲涅尔透镜安装在椭圆抛物面的敞口处，用于收集光线，匀光器设置在椭圆抛物面底部，对收集的光线进行整形；所述喷雾冷却模块包括喷雾冷却室和冷却工质循环管路，所述光伏组件与用电设备连接，向其供电，光伏组件一面与匀光器相对，接收来自匀光收集器的光线，另一面位于所述喷雾冷却室中，冷却工质循环管路向喷雾冷却室中输送冷却工质，冷却工质对喷雾冷却室中的光伏组件进行冷却。
2.根据权利要求1所述的喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：所述冷却工质为氧化铜-乙二醇纳米流体，将氧化铜纳米颗粒与乙二醇液体直接混合形成氧化铜-乙二醇纳米流体，氧化铜-乙二醇纳米流体具有高导热性，且能够循环使用。
3.根据权利要求1所述的喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：所述喷雾冷却室中设有喷嘴，所述喷嘴为内混式喷嘴。
4.根据权利要求3所述的喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：所述内混式喷嘴结构为两个套叠的管道，内管为分散剂进入管，外管为纳米流体进入管，内管中部向外凸出，形成一个混合腔，内混式喷嘴沿液流方向的末端为喷口，所述内外管之间在喷口处封闭，混合腔与喷口贯通，喷口向外呈喇叭口形状，混合腔与外管之间设有流体孔和调节阀，混合完成的冷却工质通过喷口向光伏组件喷射进行降温。
5.根据权利要求3所述的喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：纳米流体通过纳米流体管道进入喷雾冷却室，分散剂通过分散剂管道进入喷雾冷却室，所述纳米流体管道和分散剂管道上均装有截止阀、过滤器和流量计。
6.根据权利要求5所述的喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：所述喷雾冷却室内设有至少一个内混式喷嘴，每个内混式喷嘴分别与纳米流体管道和分散剂管道连接，纳米流体和分散剂同步输入内混式喷嘴中。
7.根据权利要求1所述的喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜包括两个以上同心的环带透镜，所述环带透镜的齿距从中心到四周逐渐减小，每个环带透镜的齿高相等，每个环带透镜能独立聚焦形成一个环带散焦，对所述多个环带透镜的齿距、齿高、曲率和圆锥系数进行设定，使多个环带透镜的环带散焦叠加在匀光器处。
8.根据权利要求1所述的喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：所述匀光器包括匀光基板、匀光结构层和反射层，所述匀光基板位于匀光结构层和反射层中间，匀光结构层表面凸起的图案呈高斯分布，通过该匀光器能够将高斯分布的入射光束整形为平顶分布的光束。
9.根据权利要求1所述的喷雾冷却型菲涅尔聚光热电联供系统，其特征在于：所述匀光收集器数量至少有一个，多个同样的匀光收集器排布在光伏组件同一侧向其投射光线。
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