纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能应用领域，尤其是涉及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究的重点，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辐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(也有一些研究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。研究发现，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。研究证明，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，因此很多学者在研究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。
【发明内容】
[0008]本发明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纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统。
[0009]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0010]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]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。