CN114719452B - 基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，本系统聚光装置、纳米流体分频器、光伏电池阵列和纳米流体集热器从上到下依次间隔布置，纳米流体分频器和纳米流体集热器的输出端连接潜热储热器的输入端，潜热储热器的输出端经第一泵连接纳米流体分频器和第一温控器的输入端，第一温控器的输出端连接纳米流体集热器的输入端；纳米流体‑水换热器与潜热储热器之间通过第二泵构成液体回路，纳米流体‑水换热器输出端经第二温控器连接电解池的输入端，电解池的输出端依次连接储氢罐和氢燃烧器，光伏电池阵列提供蓄电池和电解池电源，蓄电池连接逆变器提供交流电源。本系统利用全光谱太阳能达到能源梯级互补利用目的。

Description

基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统

技术领域

本发明涉及太阳能光伏光热储能技术领域，尤其涉及一种基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统。

背景技术

太阳能作为一种可再生能源，可以通过光伏电池输出电能，也可以通过集热器输出热能。太阳能光伏光热系统在低能耗小型家庭建筑中占有至关重要的地位，能够清洁高效的提供热能和电能。

由于光伏电池硅材料禁带波长的限制，其只能将短波太阳辐射转化为电能，其余无法被转化的长波辐射将导致光伏电池温度升高，致使光电转换效率降低。传统的耦合式光伏光热系统将集热器置于光伏电池组件背部，用于通过冷却介质冷却光伏电池并储存热量，然而，高温热能的需求与较低光伏电池工作温度的需求相互矛盾，极大的限制了光热及光电转换效率。

纳米流体具有良好的光谱选择性，通过纳米流体分频器构建分离式光伏光热系统可以实现太阳辐射的全光谱利用，并高效的产生热能和电能。因此，可将纳米流体分频器与光伏和光热系统结合，通过纳米流体吸收将无法被转换为电能的长波辐射能，并转换为热能，然后，将短波辐射能过滤，并辐射于光伏电池表面转换为电能，为了进一步提高光电转换效率，选择适当的冷却装置对光伏电池进行温度管理。

储能系统包含储热及储电系统，目前的家用环境中大多使用传统的热水储热系统和蓄电池实现热能和电能的储存和利用。这两种储能系统的性能极易受到环境的影响，在波动的外界环境中，系统的效率较低。潜热储热系统具有较大的储能密度和良好的稳定性，可以被广泛应用到家用环境中，然而，单一熔点的潜热储热介质的环境适应性较差，无法满足不同季节条件下的使用。因此，在储热系统中应用多个不同熔点的潜热储热介质是必不可少的。储电系统中选择合适的蓄电池可以有效地储存电量，并通过电解水产生清洁的氢气，从而使用氢气作为稳定的能量载体，以减缓波动的太阳辐射对系统性能的影响。

此外，太阳能具有间歇性和不稳定性的特点，因此，结合聚光装置是提高太阳能利用率的有效途径，同时可以减少系统的占地面积，提高系统在商业应用中的适应性。综上所述，为了高效的利用全光谱太阳能，需要提出一种分频式的太阳能光伏光热系统，并结合高效的储能装置，实现能量的捕获和储存，提高分频式太阳能光伏光热系统的性能，促进该系统在和低能耗小型家庭建筑中的商业化发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，本系统充分利用全光谱太阳能，适应于不同的季节需求，实现热电氢能的相互转化和依存，满足小型家用环境下的多品质多品味能量储存，达到能源梯级互补利用的目的，降低传统建筑的能耗。

为解决上述技术问题，本发明基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统包括聚光装置、纳米流体分频器、光伏电池阵列、纳米流体集热器、蓄电池、逆变器、电解池、储氢罐、氢燃烧器、潜热储热器、纳米流体-水换热器、第一温控器、第二温控器、第一泵和第二泵，所述聚光装置采用调节架设置于高辐射输入密度的位置，所述纳米流体分频器设于所述聚光装置下方，所述纳米流体集热器设于所述纳米流体分频器下方，所述光伏电池阵列设于所述纳米流体集热器顶面，所述纳米流体分频器的输出端经阀门连接所述潜热储热器的输入端，所述潜热储热器的输出端经所述第一泵和阀门分别连接纳米流体分频器的输入端和所述第一温控器的输入端，所述第一温控器的输出端经阀门连接所述纳米流体集热器的输入端，所述纳米流体集热器的输出端经阀门连接所述潜热储热器的输入端，所述纳米流体-水换热器与潜热储热器之间通过第二泵和阀门构成液体回路，并且所述纳米流体-水换热器输出端经所述第二温控器和阀门连接所述电解池的输入端，所述电解池的输出端连接所述储氢罐的输入端，所述储氢罐的输出端连接氢燃烧器，所述光伏电池阵列提供所述蓄电池充电电源和电解池电解电源，所述蓄电池输出端连接所述逆变器提供交流电源。

进一步，所述聚光装置是菲涅尔聚光、抛物线槽式聚光、碟式聚光或塔式聚光，并适配双轴光线追踪器，用于聚焦太阳辐射，提高阴天环境下太阳辐射的能量密度。

进一步，所述纳米流体分频器通过纳米颗粒的选择滤光特性，吸收长波段的辐射用于所述纳米流体分频器中，过滤短波段的辐射用于所述光伏电池阵列。

进一步，本系统还包括第一流量计和第二流量计，所述第一流量计设于所述潜热储热器与第一泵之间，所述第二流量计设于所述第二泵与潜热储热器之间。

进一步，所述逆变器输出的交流电源提供所述第一温控器、第二温控器、第一泵、第二泵、第一流量计和第二流量计的工作电源，以及家用其他电器电源。

进一步，所述第一温控器用于监测循环纳米流体的温度，所述纳米流体流经的管路为封闭式自循环管路，所述第二温控器用于监测纳米流体-水换热器中纯水的温度。

进一步，流经所述纳米流体分频器、纳米流体集热器的纳米流体是以导热油、水或相变材料为基础的流体，以具有光谱选择特性的纳米颗粒作为混合液体填充介质。

进一步，所述潜热储热器中填充具有潜热储能能力的相变材料或熔盐储能介质。

进一步，所述潜热储热器相可选择多熔点相变材料，可添加高导热性添加物或使用电磁装置提高储热器的充放热速率。进一步，所述纳米流体集热器是平板型集热器。

进一步，所述潜热储热器与纳米流体-水换热器液体回路中的循环工质是纳米流体，所述纳米流体-水换热器中填充纯水，循环纳米流体与纳米流体-水换热器中的纯水进行热量交换，实现热能储存，所述纳米流体-水换热器中的水升温后被用于家庭热能所需。

由于本发明基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统采用了上述技术方案，即本系统的聚光装置、纳米流体分频器和纳米流体集热器依次间隔布置，光伏电池阵列设于纳米流体集热器顶面，纳米流体分频器和纳米流体集热器的输出端连接潜热储热器的输入端，潜热储热器的输出端经第一泵连接纳米流体分频器和第一温控器的输入端，第一温控器的输出端连接纳米流体集热器的输入端，纳米流体-水换热器与潜热储热器之间通过第二泵构成液体回路，并且纳米流体-水换热器输出端经第二温控器连接电解池的输入端，电解池的输出端依次连接储氢罐和氢燃烧器，光伏电池阵列提供蓄电池和电解池电源，蓄电池输出端连接逆变器提供交流电源。本系统充分利用全光谱太阳能，适应于不同的季节需求，实现热电氢能的相互转化和依存，满足小型家用环境下的多品质多品味能量储存，达到能源梯级互补利用的目的，降低传统建筑的能耗。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统结构示意图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统包括聚光装置1、纳米流体分频器2、光伏电池阵列3、纳米流体集热器4、蓄电池5、逆变器6、电解池7、储氢罐8、氢燃烧器9、潜热储热器10、纳米流体-水换热器11、第一温控器12、第二温控器13、第一泵14和第二泵15，所述聚光装置1采用调节架设置于高辐射输入密度的位置，所述纳米流体分频器2设于所述聚光装置1下方，所述纳米流体集热器4设于所述纳米流体分频器2下方，所述光伏电池阵列3设于所述纳米流体集热器4顶面，所述纳米流体分频器2的输出端经阀门20连接所述潜热储热器10的输入端，所述潜热储热器10的输出端经所述第一泵14和阀门18分别连接纳米流体分频器2的输入端和所述第一温控器12的输入端，所述第一温控器12的输出端经阀门19连接所述纳米流体集热器4的输入端，所述纳米流体集热器4的输出端经阀门21连接所述潜热储热器10的输入端，所述纳米流体-水换热器11与潜热储热器10之间通过第二泵15和阀门22构成液体回路，并且所述纳米流体-水换热器11输出端经所述第二温控器13和阀门23连接所述电解池7的输入端，所述电解池7的输出端连接所述储氢罐8的输入端，所述储氢罐8的输出端连接氢燃烧器9，所述光伏电池阵列3提供所述蓄电池5充电电源和电解池6电解电源，所述蓄电池5输出端连接所述逆变器6提供交流电源。

优选的，所述聚光装置1是菲涅尔聚光、抛物线槽式聚光、碟式聚光或塔式聚光，并适配双轴光线追踪器，用于聚焦太阳辐射，提高阴天环境下太阳辐射的能量密度。

优选的，所述纳米流体分频器2通过纳米颗粒的选择滤光特性，吸收长波段的辐射用于所述纳米流体分频器2中，过滤短波段的辐射用于所述光伏电池阵列3。

优选的，本系统还包括第一流量计16和第二流量计17，所述第一流量计设于所述潜热储热器与第一泵之间，所述第二流量计设于所述第二泵与潜热储热器之间。

优选的，所述逆变器6输出的交流电源提供所述第一温控器12、第二温控器13、第一泵14、第二泵14、第一流量计16和第二流量计17的工作电源，以及家用其他电器电源。

优选的，所述第一温控器12用于监测循环纳米流体的温度，所述纳米流体流经的管路为封闭式自循环管路，所述第二温控器用于监测纳米流体-水换热器中纯水的温度。

优选的，流经所述纳米流体分频器2、纳米流体集热器4的纳米流体是以导热油、水或相变材料为基础的流体，以具有光谱选择特性的纳米颗粒作为混合液体填充介质。

优选的，所述潜热储热器10中填充具有潜热储能能力的相变材料或熔盐储能介质。

优选的，所述潜热储热器10中填充多种不同熔点的相变材料或熔盐储能介质，并添加高导热系数的添加物或使用电磁装置。以提高储热器的充放热速率。

优选的，所述纳米流体集热器4是平板型集热器。

优选的，所述潜热储热器10与纳米流体-水换热器11液体回路中的循环工质是纳米流体，所述纳米流体-水换热器11中填充纯水，循环纳米流体与纳米流体-水换热器11中的纯水进行热量交换，实现热能储存，所述纳米流体-水换热器11中的水升温后被用于家庭热能所需。

本系统中聚光装置1安置于纳米流体分频器2上方，配置可调控高度与方向的调节架，使系统在不同环境条件下实现较高的辐射输入密度。纳米流体分频器2通过第一循环回路可以实现光热转换和热能储存，纳米流体分频器2的入口流入低温的纳米流体，低温的纳米流体在纳米分频器2内通过聚光装置1聚光加热，使循环的纳米流体工质升温。继而，高温的循环纳米流体工质从纳米流体分频器2的出口流出，经过阀门20流入潜热储热器10中，通过热量交换，完成潜热储热的过程，将热能储存于潜热储热器10中。换热后的低温循环纳米流体工质再一次通过第一流量计16、第一泵14和阀门18返回纳米流体分频器2的入口。

纳米流体集热器4通过第二循环回路可以实现梯级的能量转换和热量储存，通过第一温控器12监测循环纳米流体的温度，并判断循环的纳米流体是否流经该第二循环回路。当循环纳米流体的温度不超过50℃时，打开阀门19，使换热后的循环纳米流体工质流入纳米流体集热器4的入口，从而对光伏电池阵列3进行冷却，然后打开阀门21，使循环纳米流体工质流出，并继续返回潜热储热器10的换热管路中，进行热量交换和能量储存，换热后的低温循环纳米流体工质再一次通过第一流量计16、第一泵14和阀门18，经第一温控器12判断循环纳米流体的温度，继续开启下一次循环。

纳米流体-水换热器11通过第三循环回路可以实现在小型家庭环境中的能量利用，通过潜热储热器10、第二流量计17、第二泵15和阀门22构成的液体回路，使用高温的循环纳米流体工质加热纳米流体-水换热器11中的低温纯水，使其温度升高，过滤后，满足日常生活使用。或通过第二温控器13判断，当纯水的温度在60-90℃之间时，打开阀门23，使高温热水供于电解池7中，实现电解水制氢。

光伏电池阵列3输出直流电能，所产生的直流电能经过蓄电池5进行电能储存，通过逆变器6转换为交流电，被转换的交流电可用于本系统中的耗电设备，如第一泵14、第二泵15、第一流量计16、第二流量计17、第一温控器12以及第二温控器13，也可用于小型家庭中的其他耗电设施中。

光伏电池阵列3输出的直流电能也可用于电解水制氢，再次产生供于家用的热能，电解池7中充满来自于纳米流体-水换热器11中的高温水，与光伏电池阵列3所产生的直流电实现电解，从而产生氢气，通过储氢罐8将氢气进行储存，连接氢燃烧器9，从而再次产生热能，以供家用日常生活所需。

本系统中聚光装置1、纳米流体分频器2、光伏电池阵列3和纳米流体集热器4可安置于同一调节架，配置双轴的光线追踪器，从而实现更高效的能量输入，使系统在阴天环境下仍有良好的能量输入和较高的系统性能。

本系统中第一、二、三循环回路可协调匹配工作，通过阀门19、阀门21和阀门22的通断，实现系统中热能的储存或释放，根据家用环境中的实际需求和情景，从而实现可调节的和高效的热能储存和利用。

本系统中当太阳辐射充足时，白天同时开启第一、二和三循环回路，使纳米流体分频器2，纳米流体集热器4和纳米流体-水换热器11与潜热储热器10同时进行工作，从而实现热能的同时储存和利用，满足家庭全天候的热能利用；当太阳辐射中等时，白天仅开启第一和第二循环回路，使纳米流体分频器2和纳米流体集热器4与潜热储热器10同时进行工作，从而实现热能的储存，夜晚开启第三循环回路，使潜热储热器10与纳米流体-水换热器11同时进行工作，满足夜晚家庭的热能利用；当太阳辐射较差时，白天仅开启第一循环回路，使纳米流体分频器2与潜热储热器10同时进行工作，从而实现热能的储存，夜晚开启第三循环回路，使潜热储热器10与纳米流体-水换热器11同时进行工作，满足夜晚家庭的热能利用。

本系统中电解水制氢的启停依赖于家庭用户的实际需求，若家庭需要更多的热能，则开启该电解水制氢，辅助产生热能，若家庭需要更多的电能，则仅将光伏电池阵列3产生的直流电通过蓄电池5进行储存和使用。

本系统中当太阳辐射充足时，光伏电池阵列3输出较多的电能，白天同时开启电解水制氢和电能储存电路，使电能供于蓄电池5中，通过逆变器6输出交流电能，从而满足系统中耗电部件，如泵、流量计和温控器的短期电能使用。此外，将多余的电能供于家庭中其他耗电设备，也可供于电解池7中，从而实现电解水制氢，将产生的氢气储存于储氢罐8中，将氢气作为稳定的能源载体，通过氢燃烧器9辅助产生热能，从而缓解太阳辐射的能量波动和间歇性的不足；当太阳辐射不足时，光伏电池阵列3输出的电能有限，因此白天仅开启电能储存电路，使产生的电能仅供于系统中的耗电部件，如泵、流量计和温控器使用。

本系统中潜热储热器10需要采用强化换热手段，提高系统的换热性能，包括但不限于在潜热储热器10的储能介质中添加具有高导热性的金属肋片结构、金属泡沫和纳米颗粒，使用不同熔点潜热储热介质的多级潜热储热系统以及添加电磁装置等。

本系统通过纳米流体分频器2实现太阳辐射的全光谱利用，通过光热、光电转换和电化学反应，实现多品味、多品质的能量转化，通过潜热储热器10、蓄电池5和储氢罐8实现多品味、多品质的能量储存。

本系统具有成本低廉、独立模块化、环境适应性强、低能耗自循环的特点，提高了太阳能的综合利用效率，利于小型家庭建筑以及新型低能耗建筑结合使用，具有一定商业化发展的潜力。

本系统建立于全光谱太阳能利用的基础上，实现不同波段辐射能量的梯级利用与耦合，满足能源利用过程中的清洁、高效和可再生的需求，响应“碳达峰”和“碳中和”的政策。本系统在小型家庭环境中使用，能够产出家用热能和电能，满足小型家用环境下多品质、多品味能量的储存，缓解阴雨天气太阳能系统热能和电能供应不足的问题；同时，本系统将热电氢储能系统与太阳能相结合，通过纳米流体分频器的作用，结合光伏电池阵列、纳米流体集热器、蓄电池、储氢罐、氢燃烧器、潜热储热器，对太阳辐射光谱进行分频使用，以达到全光谱太阳能利用、节能环保、热电氢相互转化、相互依存、高效储存能量的目的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：本系统包括聚光装置、纳米流体分频器、光伏电池阵列、纳米流体集热器、蓄电池、逆变器、电解池、储氢罐、氢燃烧器、潜热储热器、纳米流体-水换热器、第一温控器、第二温控器、第一泵和第二泵，所述聚光装置采用调节架设置于高辐射输入密度的位置，所述纳米流体分频器设于所述聚光装置下方，所述纳米流体集热器设于所述纳米流体分频器下方，所述光伏电池阵列设于所述纳米流体集热器顶面，所述纳米流体分频器的输出端经阀门连接所述潜热储热器的输入端，所述潜热储热器的输出端经所述第一泵和阀门分别连接纳米流体分频器的输入端和所述第一温控器的输入端，所述第一温控器的输出端经阀门连接所述纳米流体集热器的输入端，所述纳米流体集热器的输出端经阀门连接所述潜热储热器的输入端，所述纳米流体-水换热器与潜热储热器之间通过第二泵和阀门构成液体回路，并且所述纳米流体-水换热器输出端经所述第二温控器和阀门连接所述电解池的输入端，所述电解池的输出端连接所述储氢罐的输入端，所述储氢罐的输出端连接氢燃烧器，所述光伏电池阵列提供所述蓄电池充电电源和电解池电解电源，所述蓄电池输出端连接所述逆变器提供交流电源，所述潜热储热器中填充具有潜热储能能力的多熔点相变材料，所述多熔点相变材料包括石蜡、熔盐储能介质。

2.根据权利要求1所述的基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：所述聚光装置是菲涅尔聚光、抛物线槽式聚光、碟式聚光或塔式聚光，并适配双轴光线追踪器，用于聚焦太阳辐射，提高阴天环境下太阳辐射的能量密度。

3.根据权利要求1所述的基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：所述纳米流体分频器通过纳米颗粒的选择滤光特性，吸收长波段的辐射用于所述纳米流体分频器中，过滤短波段的辐射用于所述光伏电池阵列。

4.根据权利要求1所述的基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：本系统还包括第一流量计和第二流量计，所述第一流量计设于所述潜热储热器与第一泵之间，所述第二流量计设于所述第二泵与潜热储热器之间。

5.根据权利要求4所述的基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：所述逆变器输出的交流电源提供所述第一温控器、第二温控器、第一泵、第二泵、第一流量计和第二流量计的工作电源，以及家用其他电器电源。

6.根据权利要求4所述的基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：所述第一温控器用于监测循环纳米流体的温度，所述纳米流体流经的管路为封闭式自循环管路，所述第二温控器用于监测纳米流体-水换热器中纯水的温度。

7.根据权利要求1所述的基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：流经所述纳米流体分频器、纳米流体集热器的纳米流体是以导热油、水或相变材料为基础的流体，以具有光谱选择特性的纳米颗粒作为混合液体填充介质。

8.根据权利要求1所述的基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：所述纳米流体集热器是平板型集热器。

9.根据权利要求1所述的基于纳米流体分频的家用太阳能热电氢储能利用系统，其特征在于：所述潜热储热器与纳米流体-水换热器液体回路中的循环工质是纳米流体，所述纳米流体-水换热器中填充纯水，循环纳米流体与纳米流体-水换热器中的纯水进行热量交换，实现热能储存，所述纳米流体-水换热器中的水升温后被用于家庭热能所需。