专利名称:一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及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、水冷冷凝器、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。本实用新型将光伏-太阳能热泵系统和正面吸热型纳米流体PV/T系统相结合，热泵系统解决了纳米流体的冷却问题，提高了正面吸热型纳米流体PV/T系统的光电效率：纳米流体的光学特性可将太阳能分波段吸收，提高了热泵系统的太阳能综合利用率及性能系数。
【专利说明】一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于太阳能应用领域，尤其是涉及一种一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统。
【背景技术】
[0002]能源问题是社会经济发展的首要问题。近年来，伴随着经济的快速发展，我国对能源的需求呈现快速增长的趋势。目前，由于我国能源利用效率的低下和煤炭等化石能源使用比重过大导致了我国能源问题更加严峻和环境破坏日趋严重，极大地制约了我国经济的发展。太阳能因为其可再生以及对环境友好的优点，是重要的传统能源替代物。目前太阳能的应用方式主要是光热转换和光电转换。
[0003]如何高效的利用太阳能一直以来都是研宄的重点，太阳能光电/光热综合利用(PV/T,Photovoltaic/Thermal)比单独的光-电系统或者光-热系统都有明显提高，典型的太阳能PV/T集热器最上面是一层玻璃盖板，中间为空气层，底下为光伏电池及其基板层；在光伏电池基板后面焊接有铜管，铜管内为换热工质，一般为水。
[0004]太阳能的转换过程为:太阳辐射首先到达玻璃盖板表面，绝大部分的太阳辐射会透过玻璃盖板，有一小部分被盖板反射及吸收耗散掉；穿过玻璃盖板的太阳福射到达中间的空气层，在中间的空气层中，仍然是绝大部分的太阳辐射会穿过中间的空气层到达光伏电池表面，但同样也有一小部分由于散射、光伏电池与玻璃盖板之间的多次反射、空气层的吸收等原因耗散掉；到达光伏电池表面的太阳辐射，一部分被光伏电池吸收转化为电能(主要是可见光部分)，其余的则全部转化为热能(主要是红外部分)；转化成的电能可以被直接利用，而转化的热能除少部分耗散到环境中外，其他的会被光伏电池及其基板吸收，使得光伏电池及基板的温度升高，然后以热传导的形式传递给铜管使得铜管的温度升高；之后铜管与管内的工质在热传导及对流的综合作用下将热能传递给工质，工质的温度升高。由以上太阳能的传递过程可以看出，被有效吸收的太阳能一部分转化成电能，一部分转成了循环工质的热能，其余的则由于热阻的原因耗散掉。
[0005]普通的PV/T集热器采用的是背面吸收的方式，从上面的太阳能传递过程可以看出，PV/T集热器有其自身的缺点:1)系统的光热效率的提高是以牺牲光电效率来实现的，中间空气层的存在降低了系统热损，但同时也降低了到达光伏电池表面的太阳辐射量；2)光伏电池与基板的层压结构比较复杂，中间TPT和EVA的热阻较大，太阳能光热吸收主要是通过黑色的TPT来完成(也有一些研宄中采用表面涂黑漆的方式来减少TPT的层数)，而黑色TPT、黑漆的吸收率有限；3)光伏电池及其基板的热容较小，吸热后温升较大，导致系统的热损较大。
[0006]纳米流体是将纳米尺度的颗粒分散到基液中，形成均匀、稳定的悬浮液，纳米流体拥有比较特殊的热辐射特性和强化传热性质，使得纳米流体在太阳能领域具有较好的应用前景。研宄发现，氧化锌、二氧化硅、三氧化二铝等纳米流体对于可见光波段具有较高的透射率，在其他波段，特别是红外部分具有很高的吸收率，纳米流体的这一特性使得正面吸热型的PV/T成为可能。纳米流体在可见光部分具有高的透射率(可达95%左右，大于中间空气的透过率)，可以提高系统的光电效率，同时在其他波段的高吸收率(红外部分超过95%，远高于黑色TPT和黑漆的吸收率)可以提高系统的光热效率。纳米流体的正面吸热可以简化PV板的结构，减小系统热阻；而纳米颗粒的存在增大了基液的热导率，增强了纳米流体与PV板之间的换热系数；纳米流体的热容远大于光伏电池及其基板的热容，可以大大减小系统的热损。研宄证明，纳米流体正面吸热型的PV/T系统的综合效率高于普通的PV/T系统。
[0007]但纳米流体吸热型PV/T系统在实际应用中也有着其自身的缺点，因为纳米流体与光伏电池层是直接接触(外层的TPT可以防水及电绝缘)，因此纳米流体的温度直接影响着光伏电池的温度，其存在着与普通PV/T同样的问题，即随着循环的继续，纳米流体温度逐渐升高，光电效率将受到影响。此外由于纳米流体的大量制得比较麻烦，因此很多学者在研宄纳米流体应用特性的时候采用换热的方式来冷却纳米流体的温度，但冷量的获得往往需要额外耗费较多的能量，得不偿失，降低了正面吸热型纳米流体PV/T的应用可能，这也成了现在亟待解决的问题之一。
实用新型内容
[0008]本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在保证系统光电效率的同时提高了热泵的性能系数的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统。
[0009]本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0010]一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统(NE-PV-SAHP，NanofluidsEndothermic-Photovoltaic Solar Assisted Heat Pump)，结合了光伏-太阳能热泵组件及正面吸热型纳米流体组件，
[0011]所述的光伏-太阳能热泵组件包括直流压缩机、水冷冷凝器、风冷冷凝器、节流阀、风冷蒸发器，PV蒸发器，
[0012]所述的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，
[0013]所述的水冷冷凝器与风冷冷凝器并联，所述的风冷蒸发器与PV蒸发器并联；
[0014]所述的纳米流体存储水箱通过纳米流体循环泵与PV蒸发器相连，
[0015]所述的光伏-太阳能热泵组件及正面吸热型纳米流体组件共用一 PV蒸发器，PV蒸发器的电能输出端通过供电开关分别连接直流压缩机和纳米流体循环泵，从而使PV蒸发器的电能输出分成两个部分，电能输出功率应分别与直流压缩机、纳米流体循环泵相匹配。
[0016]优选的，水冷冷凝器、风冷冷凝器、风冷蒸发器以及PV蒸发器的进出口端均设有控制启闭的电磁阀。
[0017]更加优选的，PV蒸发器由自上而下依次设置的玻璃盖板，纳米流体通道，光伏电池及基板，保温层组成，所述的纳米流体通道内填充可流动的纳米流体，所述的保温层内设有氟利昂管道。
[0018]更加优选的，纳米流体的流动方向与氟利昂管道内的氟利昂的流动方向相反。纳米流体为氧化锌、二氧化硅或三氧化二铝纳米流体。
[0019]优选的，风冷蒸发器和PV蒸发器根据不同的气候条件切换使用，所述的风冷冷凝器和水冷冷凝器根据用户的不同需求切换使用。
[0020]将光伏-太阳能热泵系统(PV-SAHP，photovoltaicsolar-assisted heat pump)与正面吸热型纳米流体PV/T系统进行有效的结合。纳米流体对太阳辐射的正面吸收可以简化PV/T集热器的结构；同时纳米流体对太阳辐射的分段吸收可以提高热泵系统的太阳能综合利用效率；热泵系统的蒸发端可以提供纳米流体冷却所需的冷量，保证纳米流体始终以较低的温度正面流过PV电池，有利于光伏电池的光电转化。此外，用光伏电池的发电驱动直流压缩机和纳米流体循环泵可以实现系统的输出与太阳辐射的输入之间很好的自适应性；太阳辐照越强，PV电池输出功率越大，直流压缩机和纳米循环泵的转速越快，系统的换热越强，对太阳辐射的吸收就越多，反之亦然，二者相辅相成，只需要合理匹配即可完全实现自控，无需额外增加控制系统。风冷蒸发器作为补充，在太阳辐照不强或是阴雨天的时候使用，系统可基本实现全天候运行；水冷冷凝器和风冷冷凝器可以满足用户不同的需求，具有多功能性。
[0021]一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统(NE-PV-SAHP)与普通光伏-太阳能热泵系统(PV-SAHP)的区别在于二者对太阳辐射中转化为热能部分的吸收介质不同。太阳辐射转化为的热能由两部分组成，一部分来自于短波部分，短波部分大部分被光伏电池吸收，但仍有一小部分由于无法激发出电子转成了光伏电池的热能；另外一部分是长波部分，这部分基本都转成了光伏电池的热能。普通的光伏-太阳能热泵系统，对短波部分的吸收是光伏电池，对长波部分的吸收是黑色TPT (或是黑漆等其他介质)，吸收的热能的直接体现就是光伏电池及其基板温度的升高，然后这部分热能通过热传导被热泵蒸发端低温工质吸收；而对于一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，对短波的吸收也是光伏电池，而对于长波部分的吸收是纳米流体，因此，此时吸收的热能的体现也由两部分组成:一是光伏电池及其基板的温度升高，二是纳米流体温度的升高，之后同样是通过热传导被热泵蒸发端低温工质吸收(这里纳米流体与光伏电池板之间还要先对流换热，但由于强制循环即使是普通水的换热系数都比常见金属的热传导率至少高一个数量级，因此这里可忽略)。在一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，由于短波部分转化成热能部分的很少，因此光伏电池的温升较小，有利于光电转化；对于长波部分，由于纳米流体的热容远大于普通PV/T集热器的光伏电池板，因此纳米流体的温升也较小。在蒸发端工质换热系数一定的情况下，低的温差意味着更好热能传递，即更高的太阳能热利用率。
[0022]与现有技术相比，本实用新型将光伏-太阳能热泵系统(PV-SAHP)与正面吸热型纳米流体PV/T系统进行有效的结合，解决了正面吸热型纳米流体PV/T系统纳米流体循环冷却的问题，同时提高了热泵系统的太阳能综合利用率及性能系数。与目前常见的正面冷却型纳米流体PV/T系统相比，该系统解决了纳米流体的冷却问题，提高了 PV电池的光电效率；热泵的引入增加了系统的多功能性，与普通的光伏-太阳能热泵系统相比，该系统可以简化PV/T集热器的结构，并且无需额外增加控制部分；同时纳米流体的独特光学特性可以将太阳能辐射中的短波与长波分别用不同的介质吸收，提供了热泵系统的太阳能热利用率，在保证系统光电效率的同时提高了热泵的性能系数。
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型的结构示意图；
[0024]图2为PV蒸发器的结构示意图。
[0025]图中，I为直流压缩机，2为风冷冷凝器，3为水冷冷凝器，4为节流阀，5为风冷蒸发器，6为PV蒸发器，7为纳米流体存储水箱，8为纳米流体循环泵，9为玻璃盖板，10为纳米流体通道，11为光伏电池及基板，12为保温层，13为氟利昂管道，Vl?V8为电磁阀，SI为供电开关。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
[0027]实施例
[0028]纳米流体光伏-太阳能热泵系统(NE-PV-SAHP)，其结构如图1所示，主要包括直流压缩机I，风冷冷凝器2，水冷冷凝器3，节流阀4，风冷蒸发器5，PV蒸发器6，纳米流体存储水箱7，纳米流体循环泵8等组件、控制阀门、供电开关SI，还有相应的连接部件。
[0029]其中，直流压缩机1、风冷冷凝器2、水冷冷凝器3、节流阀4、风冷蒸发器5PV蒸发器6等组成了光伏-太阳能热泵组件，PV蒸发器6、纳米流体存储水箱7、纳米流体循环泵8及供电开关SI等组成了正面吸热型纳米流体组件。光伏-太阳能热泵组件及正面吸热型纳米流体组件共用PV蒸发器6。水冷冷凝器3与风冷冷凝器2并联，风冷蒸发器5与PV蒸发器6并联。纳米流体存储水箱7通过纳米流体循环泵8与PV蒸发器6相连，PV蒸发器6的电能输出端通过供电开关SI分别连接直流压缩机和纳米流体循环泵，从而使PV蒸发器6的电能输出分成两个部分，电能输出功率应分别与直流压缩机1、纳米流体循环泵8相匹配。
[0030]风冷冷凝器2的入口和出口处分别装有电磁阀V2，电磁阀V4 ;水冷冷凝器3的入口和出口分别装有电磁阀VI，电磁阀V3。风冷蒸发器5的入口和出口处分别装有电磁阀V5，电磁阀V7 ;PV蒸发器的入口和出口分别装有电磁阀V6，电磁阀V8，从而方便对上述组件实现实时控制。
[0031]PV蒸发器的结构如图2所示，由自上而下依次设置的玻璃盖板9，纳米流体通道10，光伏电池及基板11，保温层12组成，纳米流体通道内填充可流动的纳米流体，例如可以采用氧化锌、二氧化硅或三氧化二铝纳米流体，保温层12内设有氟利昂管道13。纳米流体的流动方向与氟利昂管道内的氟利昂的流动方向相反。
[0032]以下是本实用新型的工作介绍:
[0033](I)采暖
[0034]此时冷凝端采用的是风冷冷凝器2，即电磁阀V2，电磁阀V4开启，电磁阀Vl，电磁阀V3关闭；
[0035]当太阳辐照好的时候，蒸发端采用PV蒸发器6，即电磁阀V6，电磁阀V8开启，电磁阀V5，电磁阀V7关闭，供电开关SI为接通状态；循环回路为直流压缩机I —风冷冷凝器
2—节流阀4 — PV蒸发器6 —直流压缩机I ;
[0036]当太阳辐照不好的时候，蒸发端采用风冷蒸发器5，即电磁阀V5，电磁阀V7开启，电磁阀V6，电磁阀V8关闭，供电开关SI为不接通状态，循环回路为直流压缩机I —风冷冷凝器2 —节流阀4 —风冷蒸发器5 —直流压缩机I ;
[0037](2)制取生活热水
[0038]此时冷凝端采用的是水冷冷凝器3，即电磁阀VI，电磁阀V3开启，电磁阀V2，电磁阀V4关闭；
[0039]当太阳辐照好的时候，蒸发端采用PV蒸发器6，即电磁阀V6，电磁阀V8开启，电磁阀V5，电磁阀V7关闭，供电开关SI为接通状态；循环回路为直流压缩机I —水冷冷凝器
3—节流阀4 — PV蒸发器6 —直流压缩机I ;
[0040]当太阳辐照不好的时候，蒸发端采用风冷蒸发器5，即电磁阀V5，电磁阀V7开启，电磁阀V6，电磁阀V8关闭，供电开关SI不接通状态，循环回路为直流压缩机I —水冷冷凝器3 —节流阀4 —风冷蒸发器5 —直流压缩机I ;
[0041]在PV蒸发器6中太阳辐射被吸收的过程如下:太阳辐射首先照射到玻璃盖板9上，透过玻璃盖板9的太阳辐射在纳米流体中产生折射，短波部分透过纳米流体照射在光伏电池表面产生大量的电能及少量的热能，长波部分被纳米流体吸收转化成纳米流体的热能；光伏电池吸收的热能和纳米流体吸收的热能经过热传导传递给氟利昂管道13，氟利昂管道13与管内的氟利昂工质对流换热将热量传递给液体氟利昂，氟利昂液体工质吸热后发生相变后变成氟利昂气体。至此，被有效吸收的太阳能一部分转化成电能，一部分转化成工质的相变潜热。
[0042]另外，本实用新型主要是为体现纳米流体正面吸热与光伏-太阳能热泵的结合，结合后的二者可以互利互补，共同实现的性能提高，本实用新型主要是体现二者结合的理念。风冷冷凝器及风冷蒸发器的加入是为了拓展系统的多功能性。因此所有在纳米流体正面吸热型PV/T系统与光伏-太阳能热泵系统结合为核心上的小改动(如更改蒸发器、冷凝器的换热方式，在两个蒸发器或冷凝器之间加入旁通，改变压缩机或其他部件的类型，改变纳米流体的种类等)均在本实用新型专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，该系统结合了光伏-太阳能热泵组件及正面吸热型纳米流体组件， 所述的光伏-太阳能热泵组件包括直流压缩机、水冷冷凝器、风冷冷凝器、节流阀、风冷蒸发器，PV蒸发器， 所述的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， 所述的水冷冷凝器与风冷冷凝器并联，所述的风冷蒸发器与PV蒸发器并联； 所述的纳米流体存储水箱通过纳米流体循环泵与PV蒸发器相连；PV蒸发器的电能输出端通过供电开关分别连接直流压缩机和纳米流体循环泵。2.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，所述的光伏-太阳能热泵组件及正面吸热型纳米流体组件共用一 PV蒸发器。3.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，所述的水冷冷凝器、风冷冷凝器、风冷蒸发器的进出口端均设有控制启闭的电磁阀。4.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，所述的PV蒸发器的进出口端均设有控制启闭的电磁阀。5.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，所述的PV蒸发器的电能输出功率应分别与直流压缩机、纳米流体循环泵相匹配。6.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，所述的PV蒸发器由自上而下依次设置的玻璃盖板，纳米流体通道，光伏电池及基板，保温层组成，所述的纳米流体通道内填充可流动的纳米流体，所述的保温层内设有氟利昂管道。7.根据权利要求5所述的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，所述的纳米流体的流动方向与氟利昂管道内的氟利昂的流动方向相反。8.根据权利要求5所述的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，所述的纳米流体为氧化锌、二氧化硅或三氧化二铝纳米流体。9.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统，其特征在于，所述的风冷蒸发器和PV蒸发器根据不同的气候条件切换使用，所述的风冷冷凝器和水冷冷凝器根据用户的不同需求切换使用。
【文档编号】F25B30-06GK204285894SQ201420617907
【发明者】张涛, 朱群志, 裴刚 [申请人]上海电力学院