一種基于納米流體提高太陽能熱電發電效率的系統的制作方法

本發明涉及一種提高太陽能熱電發電效率的系統，具體涉及一種基于納米流體提高太陽能熱電發電效率的系統。

背景技術：

積極尋求新能源和新的能源利用方式成為當今世界范圍內的研究熱點。在太陽能、風能、地熱能和生物質能等為代表的可再生能源中，太陽能以其無限性、普遍性、清潔性、經濟性等特點受到全球各大研究機構的重點關注。據權威機構預測，到本世紀中段，太陽能將成為能源結構中最重要的一部分。可見，研究太陽能利用對維持經濟可持續發展，保證國家能源安全具有十分重要的意義，而太陽能發電是太陽能利用最為重要的方式之一。太陽能熱電發電(STEG)是利用熱電器件直接將熱能轉換為電能的新能源技術，具有無噪音、無污染、無需燃料、不受地域限制、規模大小靈活、故障率低、建設周期短等優勢。

STEG系統主要由太陽能集熱系統和熱電發電(TEG)系統組成。集熱系統光吸收與光熱轉換效率、熱傳輸與存儲過程中熱量損失及TEG系統熱電轉換效率決定了STEG系統總體效率。雖然目前STEG系統采用的集熱方式、工作溫度和材料等各有不同，但其總體結構可總結為圖1所示的構型。太陽輻射經不同光學系統聚光后，由集熱系統中涂成黑色的或者選擇性太陽能吸收材料制成的吸熱器將光能轉換成熱能并傳導至熱電器件熱端。可以看出，此類吸熱器的工作方式屬于表面式吸收，最高溫度點將出現在吸熱表面。通過傳熱分析可以發現，在圖1所示結構中，70％以上太陽輻射能通過吸熱器的再輻射和自然對流傳熱損耗，導致STEG系統效率極低。

另一方面，由于晝夜交替、氣候變化以及一天中太陽輻射強度隨時間的波動性，太陽能的獲取總是間歇而不連續的，造成了能量供求之間在時間和空間上的不匹配，使得太陽能發電系統很難平穩運行。采用儲熱系統將收集到的部分太陽能儲存起來，在需要時提供熱能，從而達到容量緩沖、電力輸出平穩、提高利用率等目的。太陽能儲熱一般可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學反應儲熱。而顯熱儲熱主要是通過材料溫度的上升或下降而存儲熱能，具有原理簡單、技術成熟、材料來源豐富、成本低廉等特點，是目前太陽能儲熱技術中最成熟且已取得商業化應用的儲熱材料。顯熱儲熱系統需要依靠材料的溫度變化進行能量儲存，因此理想的太陽能顯熱存儲介質應具有高的比熱容、高的熱導率和高的化學穩定性，然而很少有材料同時滿足這些要求。

此外，強化冷端散熱以降低熱電器件冷端溫度，是提高STEG系統輸出電壓與輸出功率的另一途徑。如果熱量在STEG系統的冷端積聚，無法迅速有效地散發掉，將使冷端溫度上升，導致冷熱端溫差下降，從而影響STEG系統的效率。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的主要目的在于提供一種基于納米流體提高太陽能熱電發電效率的系統。

本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種基于納米流體提高太陽能熱電發電效率的系統，所述基于納米流體提高太陽能熱電發電效率的系統包括：基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統、基于納米流體儲熱池、基于納米流體冷端散熱器、熱電器件熱端換熱器和熱電發電系統，基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統通過管道和基于納米流體儲熱池連接，基于納米流體儲熱池通過管道和熱電器件熱端換熱器連接，熱電器件熱端換熱器和熱電發電系統直接安裝在一起，基于納米流體冷端散熱器為熱電發電系統的散熱器，基于納米流體冷端散熱器通過管道和熱電發電系統連接在一起。

在本發明的具體實施例中，所述基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統內安裝有太陽光跟蹤系統。

在本發明的具體實施例中，所述基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統采用的納米流體種類的基液包括水基、有機溶劑基以及合成油基，納米粒子包括Cu、ZnO、TiO₂、石墨烯、碳納米管。

在本發明的具體實施例中，所述基于納米流體儲熱池內安裝有具有儲能功能的相變材料；所述基于納米流體儲熱池采用納米流體顯熱儲熱和相變材料潛熱儲熱相結合的方式。

在本發明的具體實施例中，相變材料包括無機類相變材料和有機類相變材料、復合相變材料、改性后的相變材料。

在本發明的具體實施例中，無機類相變材料包括：結晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類；有機類相變材料包括：石蠟、棕櫚酸。

在本發明的具體實施例中，基于納米流體冷端散熱器為板翅式換熱器。

在本發明的具體實施例中，基于納米流體儲熱池的底部加裝攪拌裝置。

本發明的積極進步效果在于：本發明提供的基于納米流體提高太陽能熱電發電效率的系統，基于納米流體的直接吸收式太陽能集熱器，利用的是納米流體體積式吸收過程，納米流體既是吸熱材料又是傳熱材料，可以有效降低集熱系統的熱阻；同時由納米流體直接吸收輻射能降低了集熱器表面溫度，從而減少了集熱系統的散熱損失。

本發明將基于納米流體直接吸收式集熱系統吸收轉換的太陽輻射能直接存儲于納米流體池。由納米流體兼作吸熱介質、儲熱介質和傳熱介質，在太陽能光熱吸收、儲存和輸運系統內免除熱交換器，簡化換熱環節，實現吸熱、傳熱及儲熱一體化，從而降低熱阻，減少熱量損失。

本發明中相變材料儲熱密度大、熱穩定性好，選擇相變材料作為STEG系統輔助儲能材料，有利于進一步提高熱能儲存密度和穩定性。

本發明的納米流體應用到STEG系統冷端冷卻系統，可以強化冷端傳熱，降低其溫度，從而提升STEG系統的效率。

附圖說明

圖1為常用的太陽能熱電發電系統的構型示意圖。

圖2為本發明的整體結構示意圖。

圖3為納米流體流速與熱電發電效率提高比。

圖4為納米流體和基液(水)在24h內吸收太陽光后溫度的變化。

具體實施方式

下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。

圖2為本發明的整體結構示意圖，如圖2所示：本發明提供的基于納米流體提高太陽能熱電發電效率的系統，包括基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統100、基于納米流體儲熱池200、基于納米流體冷端散熱器300、熱電器件熱端換熱器400和熱電發電系統500，基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統100通過管道和基于納米流體儲熱池200連接，基于納米流體儲熱池200通過管道和熱電器件熱端換熱器400連接，熱電器件熱端換熱器400和熱電發電系統500直接安裝在一起，基于納米流體冷端散熱器300為熱電發電系統500的散熱器，基于納米流體冷端散熱器300通過管道和熱電發電系統500連接在一起。

基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統100即是吸熱材料有時傳熱材料。

基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統100內安裝有太陽光跟蹤系統。

基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統100采用的納米流體種類的基液包括水基、有機溶劑基以及合成油基，納米粒子包括Cu、ZnO、TiO₂、石墨烯、碳納米管。

基于納米流體儲熱池200內安裝有具有儲能功能的相變材料；基于納米流體儲熱池200采用納米流體顯熱儲熱和相變材料潛熱儲熱相結合的方式。

相變材料包括但不限于無機類相變材料主要有結晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機類相變材料主要包括石蠟、棕櫚酸和其他有機物；各類復合相變材料；改性后的各類相變材料等。

基于納米流體冷端散熱器300為板翅式換熱器，充分發揮出納米流體強化傳熱的特點。

本發明中的基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統100采用槽式線聚焦，配有太陽光跟蹤系統以便盡可能采集更多的太陽能。槽式集熱鏡場采用FLABEG反射鏡面，太陽光經其反射至直接吸收式真空集熱管，并對管內的納米流體進行加熱。由于納米顆粒的小尺寸效應、量子效應、大比表面積效應以及界面原子排列和鍵組態的無規則特性使得納米微粒的光學特性有了較大的變化，具有特殊的光吸收性質。正是由于納米流體特殊的光吸收性能和納米流體良好的熱輸運性能，利用納米流體體積式吸收過程，納米流體既是吸熱材料又是傳熱材料，可以有效降低集熱系統的熱阻；同時由工作流體直接吸收輻射能可以降低集熱器表面溫度，從而減少集熱系統的散熱損失。

在本發明中，經太陽光加熱后納米流體進入基于納米流體儲熱池200。儲熱池底部加裝攪拌裝置，保證納米流體內納米粒子分散穩定。納米流體池外部和池內放置相變儲能結構，保證納米流體溫度穩定、減少散熱損失和防止溫度過高。外部相變儲能結構202外面以隔熱材料包裹203，降低納米流體池與環境之間的熱交換。納米流體不僅具有突出的光熱吸收轉換性能和熱傳輸性能，本身也是優異的顯熱儲熱材料。將基于納米流體直接吸收式集熱系統吸收轉換的太陽輻射能直接存儲于納米流體池，可以實現太陽能光熱吸收、儲存和輸運系統內免除熱交換器，簡化換熱環節，實現吸熱、傳熱及儲熱一體化，同時，增加含有相變材料的儲熱結構，利用相變材料的潛熱熱能儲存具有儲能密度高，在恒定的溫度儲存和釋放熱能等特點，進一步提高熱能儲存密度和穩定性。

在本發明中，基于納米流體冷端散熱器300中，納米流體因為是在原液中加入納米顆粒和分散劑，使得液體隨著溫度的提高，納米液的比熱容大幅增大，傳熱性能大幅提高，并且越高溫傳熱性能越好，有利于散熱。因而在熱電器件冷端采用納米流體作為強化傳熱介質，能夠有效增強冷端散熱，降低熱電器件冷端溫度，有效提高熱電器件轉換效率。納米流體基液包括水基、有機溶劑基以及合成油基等，納米粒子包括Cu、ZnO、TiO₂、石墨烯、碳納米管等。

在本發明中，納米流體池內納米流體經過四周排布熱電器件的發電區域與熱電器件熱端進行充分熱交換之后再次進入太陽能直接吸收式真空管。依據納米流體特性，在熱端采用板翅式換熱器，一定程度上導致納米流體內顆粒間的碰撞作用和微對流會更加明顯，因此能充分發揮出納米流體強化傳熱的特點。同時利用小型泵保證納米流體具有合適的流速和流量。通過調整換熱器換熱能力和納米流體流速以及流量，控制熱電器件熱端的溫度。同時，熱電器件冷熱端和換熱器之間存在極細微的凹凸不平的空隙，如果將它們直接安裝在一起，它們間的實際接觸面積只有換熱器底座面積的10％，其余均為空氣間隙。使用具有高導熱性的熱界面材料填充滿這些間隙，排除其中的空氣，在熱電器件和換熱器間建立有效的熱傳導通道，可以大幅度降低接觸熱阻，使換熱器的作用得到充分地發揮。

熱電器件的n型和p型電偶臂分別選用性能較高的Bi₂Se_0.3Te_2.7和Bi_0.5Sb_1.5Te₃，制備出的碲化鉍基熱電器件由49對碲化鉍基材料組成。熱電發電系統由多組熱電器件串聯而成。熱電器件冷熱端之間填充隔熱材料并在熱電器件上部靠近散熱器處，放置空氣隔離層，進一步阻礙熱量向冷端傳輸。依據熱電臂的熱導率、電導率等物理特性，調整隔熱材料的導熱系數以及空氣隔離層的位置，提高熱電器件轉換性能。

在本發明中，除了上述構件外，還包括納米流體在真空吸熱管、納米流體池和熱電器件熱端之間流動的管路，納米流體儲熱池和管路中排液管以及補液管，提供納米流體流動動力的小型泵。熱電器件冷端與散熱器之間連接管路以及提供流體流動動力的泵。納米流體、熱電器件溫度監控系統等安全保護措施。

圖3為納米流體流速與熱電發電效率提高比，圖4為納米流體和基液(水)在24h內吸收太陽光后溫度的變化。下面是結合圖3-4給出兩個具體的實施例子：

實施例一

以水和碳納米管-水納米流體作為冷端冷卻工質，設定冷卻流體入口溫度22℃，流體當量直徑為10mm×10mm。由于STEG系統功率、效率與熱電發電器件溫度的依賴性，當冷卻液水流速由0.001增大到0.05m/s之間時，輸出功率由0.647W增大到1.68W。與此同時，熱電發電系統效率由0.0792增加到0.129。在固定熱電發電系統熱端溫度時，冷端冷卻液流速是影響STEG系統輸出功率與系統效率的重要因素。如圖3所示，納米流體的強化換熱效果，使STEG系統在速度0.001m/s時輸出功率提高了22.7％、系統效率提高了11％。

實施例二

利用兩組直接吸收式真空管模擬不同流體太陽能光熱轉換性能，測試時，兩組集熱器的真空集熱管在相同的陽光照射下，吸收相同的熱量，換熱介質由輸液泵輸送，從安裝在真空集熱管內的流道管流過，換熱介質吸收熱量，溫度升高。圖4給出的是以不同種類納米流體和基體液體作為太陽能熱水系統換熱介質時24小時內的溫度變化測試結果，所用的基體液體去離子水，納米顆粒的體積含量是1.0％，所用納米顆粒有三種，分別為Al₂O₃、MgO和ZnO。由圖可見，對于所用到的三種納米流體，在24小時內的溫度均比基體液體高；流體吸收熱量后的溫度升高并非與太陽光光照強度同步，而是有較大的滯后，太陽光在11：30光照強度達到最大，而流體溫度幾乎都是在15：00前后達到最高，滯后時間達3個半小時，出現這種現象的主要原因是流體的總熱容較大；太陽光在18：00以后的光照強度很小，但這時流體的溫度還是保持比較高的水平，在凌晨6：00時，流體的溫度降至最低，隨后又逐漸升高開始第二個循環。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。