[实用新型]一种纳米流体吸热型光伏-太阳能热泵系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

实用新型内容

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。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：