一种纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器
阅读说明：本技术 一种纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器 (Nano-fluid micro-channel photovoltaic and photo-thermal integrated evaporator/heat collector ) 是由 张涛 陈思豪 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器,其主要由玻璃盖板、纳米流体及其流道、微通道、光伏电池、保温材料层、边框所组成。本发明将微通道与基于光谱分频的纳米流体-PV/T集热器结合；将微通道浸入纳米流体中,置于两块光伏电池正中间,可精简集热器的传热热阻及结构,并保证低遮挡。微通道与纳米流体流道尺寸匹配,传热速率高并具有较大的比表面积,无论自然循环还是强迫循环下都可保证流道内的换热效果。同时可根据应用需求,能同时作为集热器(微通道内为单相工质)及蒸发器(微通道内为两相工质)使用。(The invention discloses a nanofluid microchannel photovoltaic and photothermal integrated evaporator/heat collector, which mainly comprises a glass cover plate, nanofluid and a flow channel thereof, a microchannel, a photovoltaic cell, a heat insulation material layer and a frame. The invention combines a micro-channel with a nanofluid-PV/T heat collector based on spectral frequency division; the micro-channel is immersed in the nano-fluid and placed in the middle of the two photovoltaic cells, so that the heat transfer resistance and the structure of the heat collector can be simplified, and low shielding is ensured. The micro-channel is matched with the nano-fluid flow channel in size, the heat transfer rate is high, the specific surface area is large, and the heat exchange effect in the flow channel can be ensured under natural circulation or forced circulation. Meanwhile, the heat collector can be used as a heat collector (a single-phase working medium is arranged in the micro-channel) and an evaporator (a two-phase working medium is arranged in the micro-channel) at the same time according to application requirements.)
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光热一体化蒸发器/集热器。
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。
将纳米流体作为光谱分频介质并与太阳能利用相结合是一种新颖的光电光热综合利用结合方式。
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。
综上，现有传统PV/T集热器/蒸发器和/或基于纳米流体光谱分频的PV/T集热器/蒸发器存在的缺陷为：(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其热损较大；系统集热器内采取螺旋加强热管措施来降低热损，会导致集热器结构变得复杂、厚度增加，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。
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光热一体化蒸发器/集热器存在的问题，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光热一体化蒸发器/集热器。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，盖板，以及；
光伏电池层；所述光伏电池层位于所述盖板底部侧，所述光伏电池层与所述盖板之间构成纳米流体流道，所述纳米流体流道内填充有纳米流体，以及；
设置在所述纳米流体流道内的微通道。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：所述光伏电池层内设置有多块独立光伏电池，所述光伏电池在所述光伏电池层内均匀排布，两个相邻光伏电池之间构成透光间隙。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：所述微通道置于所述透光间隙正上方，且所述微通道直径不大于所述透光间隙的宽度，所述微通道不与所述盖板直接接触，所述微通道不与所述光伏电池层直接接触。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：所述纳米流体采用质量分数为.％铵钨青铜纳米流体，所述微通道采用MC工质管道。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：所述微通道直径与所述纳米流体流道高度之比小于:。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：所述盖板采用透明玻璃盖板。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：所述光伏电池层与所述纳米流体接触侧的镜像侧设置有保温材料，所述保温材料周边设置有保温层边框进行包裹。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：所述纳米流体流道设置有流道边框进行密封，所述流道边框上设置有所述微通道预留孔，所述微通道可从所述微通道预留孔穿过所述流道边框位于所述纳米流体流道内。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：垂直于所述微通道两侧设置有纳米流体循环管路，在所述纳米循环管路上设置有循环泵以及纳米流体水箱。
作为本发明所述纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的一种优选方案，其中：在平行于所述微通道方向其中一侧设置有电能输出口。
本发明的有益效果：
1、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/集热器的结构及传热热阻，同时微通道尺寸很小，可保证低遮挡。
2、蒸发器/集热器内微通道的尺寸与纳米流体流道的厚度匹配，可保证流道内的换热效果。
3、微通道具备较大的比表面积、传热传质速率高且安全性高。微通道作为换热结构具有更好的换热效果，大量热量能及时转移以维持合适的工作温度。
4、纳米流体与微通道间的换热可采用自然对流或强迫对流，灵活性高并适应于更多的应用场景。
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光热一体化蒸发器/集热器的整体结构示意图。
图2为本发明纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器所述的强制循环型纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的结构示意图。
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，提供了一种纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的整体结构示意图，其结构如图1(a)、(b)所示，包括，盖板100，以及；光伏电池层200；光伏电池层200位于盖板100底部侧，光伏电池层200与盖板100之间构成纳米流体流道300，纳米流体流道300内填充有纳米流体301，以及；设置在纳米流体流道300内的微通道302。
具体的，光伏电池层200内设置有多块独立光伏电池201，光伏电池201在光伏电池层200内均匀排布，两个相邻光伏电池201之间构成透光间隙201a，而微通道302设置在纳米流体流道300内，被纳米流体301所包裹，并且微通道302置于透光间隙201a正上方，且微通道302的的直径不大于透光间隙201a的宽度，这样可以最大限度的保证光伏电池201不被遮挡，可精简集热器的传热热阻及结构，并保证低遮挡，提高电池效率。这里的盖板100的一种优选方案是采用透明玻璃材质，这样可以有效保证阳光可以直接照射至光伏电池201上，保证光伏电池201的工作效率。而且微通道302与盖板100以及光伏电池层200之间也留有一定空间，使得集热器的工作效率达到最优，其一种优选方案微通道302的直径与纳米流体流道300的高度之比小于1：9；这里的微通道302的一种优选方案是采用MC工质管道。
更进一步的是，在光伏电池层200下方还设置有保温材料303，并且通过保温层边框303进行包裹固定，且在纳米流体流道300四周设置有流道边框303b进行密封固定，微通道302可以从流道边框303b上的微通道预留孔穿过，从而达到一个将微通道302进行位置固定的效果，其中纳米流体303a的一种优选方案是采用质量分数为0.05％铵钨青铜纳米流体，当采用质量分数为0.05％铵钨青铜纳米流体时，其热电比可以达到7.15，当采用质量分数为0.01％铵钨青铜纳米流体和质量分数为0.02％铵钨青铜纳米流体时，热电比分别为5.32和5.77；因此其纳米流体的所采取的基液不同，其电热比也不同，可根据实际需求选择适宜的纳米流体种类，而更换纳米流体的种类，可以直接改变储水箱内的纳米流体种类即可，所以该系统具有很强的灵活性。
具体的工作流程如下：在NF-MC-PV/T蒸发器/集热器中太阳辐射被吸收的过程如下，如图1(b)所示：太阳辐射首先到达玻璃盖板100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100；透过玻璃盖板100的太阳辐射进入到纳米流体301中，由于纳米流体301的光谱分频特性，短波部分透过纳米流体301被在光伏电池201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301吸收并转化成其热能，使得纳米流体301温度升高；靠近微通道302侧的纳米流体301被微通道302冷却而温度降低，与远离微通道302侧的纳米流体301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，微通道302换热性能极佳，通过合理的结构设计可保证纳米流体301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经由电能输出口305输出，一部分被微通道302内传热工质吸收转换成热能并输出。
实施例2
参照图2，提供了一种强制循环型纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器，其系统结构如图2(a)、(c)所示，包括，盖板100，以及；光伏电池层200；光伏电池层200位于盖板100底部侧，光伏电池层200与盖板100之间构成纳米流体流道300，纳米流体流道300内填充有纳米流体301，以及；设置在纳米流体流道300内的微通道302。
具体的，光伏电池层200内设置有多块独立光伏电池201，光伏电池201在光伏电池层200内均匀排布，两个相邻光伏电池201之间构成透光间隙201a，而微通道302设置在纳米流体流道300内，被纳米流体301所包裹，并且微通道302置于透光间隙201a正上方，且微通道302的的直径不大于透光间隙201a的宽度，这样可以最大限度的保证光伏电池201不被遮挡，可精简集热器的传热热阻及结构，并保证低遮挡，提高电池效率。这里的盖板100的一种优选方案是采用透明玻璃材质，这样可以有效保证阳光可以直接照射至光伏电池201上，保证光伏电池201的工作效率。而且微通道302与盖板100以及光伏电池层200之间也留有一定空间，使得集热器的工作效率达到最优，其一种优选方案微通道302的直径与纳米流体流道300的高度之比小于1：9；这里的微通道302的一种优选方案是采用MC工质管道。
更进一步的是，在光伏电池层200下方还设置有保温材料303，并且通过保温层边框303进行包裹固定，且在纳米流体流道300四周设置有流道边框303b进行密封固定，微通道302可以从流道边框303b上的微通道预留孔穿过，从而达到一个将微通道302进行位置固定的效果，其中纳米流体303a的一种优选方案是采用质量分数为0.05％铵钨青铜纳米流体，当采用质量分数为0.05％铵钨青铜纳米流体时，其热电比可以达到7.15，当采用质量分数为0.01％铵钨青铜纳米流体和质量分数为0.02％铵钨青铜纳米流体时，热电比分别为5.32和5.77；因此其纳米流体的所采取的基液不同，其电热比也不同，可根据实际需求选择适宜的纳米流体种类，而更换纳米流体的种类，可以直接改变储水箱内的纳米流体种类即可，所以该系统具有很强的灵活性。
更进一步的是，垂直于微通道302两侧还设置有纳米流体循环管路304，在纳米循环管路304上设置有循环泵304a以及纳米流体水箱304b，在平行于微通道302方向其中一侧设置有电能输出口305。
具体的，强制循环型纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器，其系统结构如图2(a)、(c)所示。与实施例1不同的是：NF-MC-PV/T蒸发器/集热器中纳米流体流道300长度方向不再封闭；纳米流体301在流道内为强制循环，需额外增设一套纳米流体循环子系统，包括纳米流体循环管路304、纳米流体水箱304b和循环泵304a，如图2(b)所示。
在NF-MC-PV/T蒸发器/集热器内，强迫循环模式下，纳米流体301与微通道302间为强迫对流；吸收太阳辐射后温度升高的纳米流体301被微通道302冷却后经纳米流体循环管路304进入到纳米流体水箱304b内，再经循环泵304a通过纳米流体循环管路304回到NF-MC-PV/T蒸发器/集热器内完成循环。
其余部分工作流程及原理与实施例1中的纳米流体微通道光伏光热一体化蒸发器/集热器的工作流程及原理一致。
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。
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