CN112594969B - 一种纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米流体微通道光伏‑太阳能热泵系统，其包括，由太阳能热泵子系统和太阳能光伏发电子系统以及二者共用组件蒸发器，其中：太阳能热泵子系统包括蒸发器、压缩机、储水箱、冷凝盘管、节流阀及其连接管道；太阳能光伏发电子系统包括蒸发器、控制器、蓄电池及其连接线路；与现有技术相比，微通道的引入使得纳米流体的吸热与热泵的蒸发冷却有机结合，使纳米流体在流道内形成自然对流，无需额外增设动力循环系统；微通道直接浸入纳米流体中，置于PV层压上方，可精简NF‑PV/T蒸发器的结构及传热热阻，同时微通道尺寸很小，可保证低遮挡；蒸发器内微通道的尺寸与封闭纳米流体流道的厚度匹配，可保证流道内的换热效果。

Description

一种纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统
技术领域
本发明涉及太阳能光电光热综合应用技术领域，尤其涉及一种纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统。
背景技术
上世纪人口增长了四倍，能源消耗增加了六倍，如今的全球平均温度远高于过去一千年的温度。能源短缺已成为人类共同面临的问题。不可再生能源存在不足，全球温度上升以及化石能源减少，二氧化碳排放增加导致全球气候变暖等等问题都非常严峻。据统计，到2019年底,全球燃烧化石燃料产生的CO2排放量将高达368亿吨,高于2018年的365.7亿吨。且传统能源如煤炭，石油使用较多，其燃烧物含有NOx，SOx，对环境造成破坏。能源和环境问题则被联合国列为今后五十年地球人类面临的十大难度之二，而利用太阳能是解决能源和环境问题的重要途经。
如何有效利用太阳能并提高其利用效率一直是研究的重点。太阳能作为一种清洁能源，其利用技术已经比较成熟。太阳能光电光热综合利用，因可同时产生电能和热能，和单纯的太阳能光伏发电系统和太阳能集热系统相比具有较高的综合利用效率，是一种颇具前景的太阳能利用方式。
典型的以水为载体的传统PV/T集热器对太阳辐射的分光谱利用均集成在PV层压模块内完成，其中光伏电池(主)及黑色背膜(辅)均同时吸收太阳能光谱的能量。传统PV/T集热器在应用时有其自身的缺点：1)PV层压模块为整个系统中温度最高的部件，光电效率反而低于常规光伏电池，系统热损较大；2)太阳辐射在两种折射率相差较大的介质分界面上反射和折射时，光损失较大；3)额外增设的用于增强光热吸收的黑色背膜及焊接流道的金属基板使PV模块的层压结构复杂；4)金属基板、PV以及封装材料具有不同的热膨胀系数，温度变化导致的应力失衡会造成PV的损坏，降低PV/T集热器的寿命。
专利CN110836542B公开了一种具有螺旋加强热管的纳米流体集热器，包括相变蓄热箱和集热单元；集热单元包括一个或多个真空导热管，真空导热管包括一个或多个真空导热管，真空导热管包括封闭式的热管，热管套有集热层的一端为热管蒸发端，另一端插入相变蓄热箱内为热管冷凝端；热管内设有螺旋强化冷凝器，且热管内填充有纳米流体作为导热工质。该发明装置系统采用螺旋加热热管却同时使得集热器的结构变得复杂，厚度不减反增，进而影响系统的总体性能，因小失大。
专利CN106656027A公开了一种基于纳米流体的太阳能电热联用装置，其中，PV/T集热板、换热水箱、第一纳米流体箱、第一蠕动泵、第一流量计和第一热电偶通过第一管道按顺序连接形成换热循环；PV/T集热板、换热水箱、第二纳米流体箱、第二蠕动泵、第二热电偶和第二流量计通过第二管道按顺序连接形成二次换热循环。该发明装置在PV/T集热板内采用空气夹层来降低热阻，但却增大了光损失，进而影响系统的总体性能。
专利CN204285894U公开了一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，结合了光伏-太阳能热泵组件及正面吸热型纳米流体组件；光伏-太阳能热泵组件包括直流压缩机、储水箱、风冷冷凝器、节流阀、风冷蒸发器，PV蒸发器；正面吸热型纳米流体组件包括PV蒸发器、纳米流体存储水箱及纳米流体循环泵。该发明将常规铜管焊接于光伏电池模块后方，使得系统的传热热阻相对较高；此外该系统的纳米流体为强制循环，需额外增设一套纳米流体循环子系统，系统相对复杂且灵活性低。
综上，现有传统PV/T集热器和/或基于纳米流体光谱分频的PV/T集热器存在的缺陷为：(1)纳米流体同时作为吸热及传热介质，具有最高的温度导致热损较大，即便采取螺旋加强热管等措施，会导致集热器结构变得复杂，影响总体性能。(2)在PV/T集热板内采用空气夹层来降低热阻，但却增大了光损失，进而影响系统的总体性能。(3)将工质循环焊接于光伏电池模块后方，使得系统的传热热阻相对较高，需额外增设一套纳米流体循环子系统，消耗电能高，系统相对复杂且灵活性低。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，由太阳能热泵子系统和太阳能光伏发电子系统以及二者共用组件蒸发器，其中：
太阳能热泵子系统包括蒸发器、压缩机、储水箱、冷凝盘管、节流阀及其连接管道。
太阳能光伏发电子系统包括蒸发器、控制器、蓄电池及其连接线路。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：所述蒸发器包括玻璃盖板、和设置在所述玻璃盖板一侧的光伏电池、以及设置在所述玻璃盖板和所述光伏电池之间的纳米流体流道。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：所述光伏电池正面朝向所述玻璃盖板一侧，所述光伏电池背面设置有保温材料，所述保温材料通过边框包围固定。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：所述纳米流体流道内充满纳米流体以及浸入在所述纳米流体内的MC工质管道。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：所述光伏电池均匀间隔设置在所述玻璃盖板一侧，所述工质管道设置在所述光伏电池间隔正中间。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：所述纳米流体流道由流道边框封闭，其中在所述纳米流体流道宽度方向预留有所述MC工质管道进出孔。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：所述MC工质管道沿水平方向或竖直方向至少设置一组。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：所述蒸发器置于节流阀与压缩机之间。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：所述蒸发器外部设置有纳米流体水箱以及循环泵。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的一种优选方案，其中：在所述储水箱上并联设置有风冷冷凝器以及在所述蒸发器上并联设置有风冷蒸发器。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，微通道的引入使得纳米流体的吸热与热泵的蒸发冷却有机结合，使纳米流体在流道内形成自然对流，无需额外增设动力循环系统；微通道直接浸入纳米流体中，置于PV层压上方，可精简NF-PV/T蒸发器的结构及传热热阻，同时微通道尺寸很小，可保证低遮挡；蒸发器内微通道的尺寸与封闭纳米流体流道的厚度匹配，可保证流道内的换热效果；热泵系统具有更好的热品质及灵活性，如与空气源结合，可使系统具备更好的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的整体结构示意图。
图2为本发明纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统所述的蒸发器剖面示意图。
图3为本发明纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统所述的强制循环型纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统结构示意图。
图4为本发明纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统所述的结合空气源的纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统结构示意图
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1～2，提供了一种纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统的整体结构示意图，如图1，一种纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统包括太阳能热泵子系统100和太阳能光伏发电子系统200以及二者共用组件蒸发器300其中：
太阳能热泵子系统100由蒸发器300、压缩机101、储水箱102、冷凝盘管103、节流阀104及其连接管路串联组成，蒸发器300；
太阳能光伏发电子系统200由蒸发器300、控制器201、蓄电池202及其连接线路串联组成。
进一步地，所述的蒸发器300，其结构由上至下分别为：玻璃盖板301于最外层；纳米流体流道303内充满纳米流体303a，流道两端设置有流道边框304b进行密封处理，MC工质管道303b直接浸入纳米流体303a内并置于光伏电池302上方；保温材料304置于光伏电池302背面并通过边框304a包围固定，保温材料304与其边框304a用于减少集热器热量通过底部和侧面向空间环境耗散，起到保温作用。
进一步地，所述的太阳能热泵子系统100，蒸发器300内的MC工质管道303b的出口与压缩机101入口相连，压缩机101出口与储水箱102内的冷凝盘管103相连，冷凝盘管103出口与节流阀104相连，节流阀104通过管路与蒸发器300内的MC工质管道303b的氟利昂工质入口相连完成循环。
进一步地，所述的太阳能光伏发电子系统200，其中蒸发器300的电能输出通过控制器201与蓄电池202相连，控制器201与蓄电池202相连并连接至其它线路输出电能。
进一步地，所述的纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统，系统中设有4个电磁阀(V1、V2、V3、V4)和一处电路开关。其中，所述电路开关设于蒸发器300电能输出与控制器201连接线路上；电磁阀(V1、V2、V3、V4)分别设于储水箱102的进出口和蒸发器300内的MC工质管道303b的氟利昂工质的进出口；从而方便对上述组件和流量调节实现实时控制。
在蒸发器3中太阳辐射被吸收的过程如下，如图2所示：太阳辐射首先到达玻璃盖板301表面，除一小部分被盖板反射及吸耗散掉外，绝大部分的太阳辐射会透过玻璃盖板301；透过玻璃盖板301的太阳辐射进入到纳米流体303a中，由于纳米流体303a的光谱分频特性，短波部分透过纳米流体303a被在光伏电池302吸收而产生电能及少量的热能；长波部分被封闭流道内的纳米流体303a吸收并转化成其热能，使得纳米流体303a温度升高；靠近MC工质管道303b侧的纳米流体303a被MC工质管道303b所冷却从而而温度降低，与远离MC工质管道303b侧的纳米流体303a之间形成密度差，进而形成有限空间内的自然循环；在这个过程中，MC工质管道303b换热性能极佳，通过合理的结构设计可保证纳米流体303a的工作温度在热交换过程中始终能够处于合适的范围；至此，被有效吸收的太阳能一部分转化成电能，一部分被微通道内氟利昂工质吸收转换成热能。
热泵子系统的循环流程如下：MC工质管道303b内氟利昂工质吸收纳米流体流道303内热量后通过管路经V4电磁阀进入压缩机101；压缩机101加压使工质变成高温高压的蒸汽；高温高压的蒸汽沿着管路经V1电磁阀进入冷凝盘管103中，并与储水箱102内的冷水进行热交换，将热量传递给水；同时蒸汽被冷却为低温高压；冷凝后液态工质经V2电磁阀进入到节流阀104中，并经绝热节流过程变为两相态；两相态蒸汽进入到蒸发器300中完成整个循环。
在太阳能光伏发电子系统中，集热器300内光伏电池302产生的电能通过控制器201储存在蓄电池202中，同时蓄电池202可通过控制器201对外输出电能。
实施例2
参照图3，该实施例不同于第一个实施例的是：强制循环型纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统，其系统结构如图3(a)所示，与实施例1不同的是：蒸发器300中纳米流体流道303长度方向不再封闭；纳米流体303a在流道内为强制循环，需额外增设纳米流体水箱304与循环泵305，如图3(b)所示。
其中，纳米流体水箱304、循环泵305与蒸发器300组成了纳米流体循环子系统；纳米流体水箱304出口与循环泵305入口处相连；循环泵305出口处再与蒸发器300流道入口相连，蒸发器300流道出口再与纳米流体水箱304入口处相连。
在蒸发器300内，强制循环模式下，纳米流体303a与MC工质管道303b间为强迫对流。吸热的纳米流体303a被MC工质管道303b冷却后进入到纳米流体水箱304内，再经循环泵305回到蒸发器300内。此外，纳米流体水箱304还额外具备一定的储能功能；其余系统部件如实施例1中功能作用且完全一致。
实施例3
参照图4，该实施例不同于以上实施例的是：结合空气源的纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统，其系统结构如图4所示；与实施例1不同的是：增设了风冷蒸发器106与蒸发器300并联；增设了风冷冷凝器105与储水箱102并联；空气源的加入使系统具备全天候工作的特性。
其中，电磁阀(V5、V6、V7、V8)分别设于风冷蒸发器106的进出口和风冷冷凝器105的进出口，从而方便对上述组件和流量调节实现实时控制。
具体工作介绍：
(1)采暖
此时冷凝端采用风冷冷凝器105，即电磁阀V5、V6开启，风冷冷凝器11开启；电磁阀V1、V2关闭。
当太阳辐射好时，蒸发端采用蒸发器3，即电磁阀V3、V4开启；电磁阀V7、V8关闭；电路开关为接通状态。循环回路为：蒸发器300→压缩机101→风冷冷凝器105→节流阀104→蒸发器300。
当太阳辐射不好时，蒸发端采用风冷蒸发器106，即电磁阀V7、V8开启；电磁阀V3、V4关闭；电路开关为不接通状态。循环回路为：风冷蒸发器106→压缩机101→风冷冷凝器105→节流阀104→风冷蒸发器106。
(2)制取生活用水
此时冷凝段采用储水箱102及冷凝盘管103，即电磁阀V1、V2开启；电磁阀V5、V6关闭。
当太阳辐射好时，蒸发端采用蒸发器300，即电磁阀V3、V4开启；电磁阀V7、V8关闭；电路开关为接通状态。循环回路为：蒸发器300→压缩机101→储水箱102→冷凝盘管103→节流阀104→蒸发器300。
当太阳辐射不好时，蒸发端采用风冷蒸发器106，即电磁阀V7、V8开启；电磁阀V3、V4关闭；电路开关为不接通状态。循环回路为：风冷蒸发器106→压缩机101→储水箱102→冷凝盘管103→节流阀104→风冷蒸发器106。
本发明主要以提高基于纳米流体光谱分频特性的太阳能的综合利用效率为目标，将微通道与纳米流体热泵系统结合，结合后的两者可以互利互补，共同实现性能的提高。微通道的引入可精简集热器的传热热阻及结构，并保证低遮挡；同时微通道的引入使纳米流体流道内形成自然循环，可进一步精简系统的结构。强迫循环是为体现其他的对流换热方式；风冷冷凝器105及风冷蒸发器106的加入是为了拓展系统的多功能性。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统，其特征在于：包括，由太阳能热泵子系统（100）和太阳能光伏发电子系统（200）以及二者共用组件蒸发器（300），其中：
太阳能热泵子系统（100）包括蒸发器（300）、压缩机（101）、储水箱（102）、冷凝盘管（103）、节流阀（104）及其连接管道；
太阳能光伏发电子系统（200）包括蒸发器（300）、控制器（201）、蓄电池（202）及其连接线路；
所述蒸发器（300）包括玻璃盖板（301）、和设置在所述玻璃盖板（301）一侧的光伏电池（302）、以及设置在所述玻璃盖板（301）和所述光伏电池（302）之间的纳米流体流道（303）；
所述纳米流体流道（303）内充满纳米流体（303a）以及浸入在所述纳米流体（303a）内的MC工质管道（303b）；
所述光伏电池（302）均匀间隔设置在所述玻璃盖板（301）一侧，所述工质管道（303b）设置在所述光伏电池（302）间隔正中间；
所述纳米流体流道（303）由流道边框（304b）封闭，其中在所述纳米流体流道（303）宽度方向预留有所述MC工质管道（303b）进出孔；
靠近MC工质管道（303b）侧的纳米流体（303a）被MC工质管道（303b）所冷却从而温度降低，与远离MC工质管道（303b）侧的纳米流体（303a）之间形成密度差，进而形成有限空间内的自然循环。
2.如权利要求1所述的纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统，其特征在于：所述光伏电池（302）正面朝向所述玻璃盖板（301）一侧，所述光伏电池（302）背面设置有保温材料（304），所述保温材料（304）通过边框（304a）包围固定。
3.如权利要求2所述的纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统，其特征在于：所述MC工质管道（303b）沿水平方向或竖直方向至少设置一组。
4.如权利要求3所述的纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统，其特征在于：所述蒸发器（300）置于节流阀（104）与压缩机（101）之间。
5.如权利要求4所述的纳米流体微通道光伏-太阳能热泵系统，其特征在于：在所述储水箱（102）上并联设置有风冷冷凝器（105）以及在所述蒸发器（300）上并联设置有风冷蒸发器（106）。
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