本發(fā)明涉及一種提高太陽(yáng)能熱電發(fā)電效率的系統(tǒng)，具體涉及一種基于納米流體提高太陽(yáng)能熱電發(fā)電效率的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

積極尋求新能源和新的能源利用方式成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。在太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能等為代表的可再生能源中，太陽(yáng)能以其無(wú)限性、普遍性、清潔性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)受到全球各大研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)中段，太陽(yáng)能將成為能源結(jié)構(gòu)中最重要的一部分?？梢?，研究太陽(yáng)能利用對(duì)維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，保證國(guó)家能源安全具有十分重要的意義，而太陽(yáng)能發(fā)電是太陽(yáng)能利用最為重要的方式之一。太陽(yáng)能熱電發(fā)電(STEG)是利用熱電器件直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的新能源技術(shù)，具有無(wú)噪音、無(wú)污染、無(wú)需燃料、不受地域限制、規(guī)模大小靈活、故障率低、建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì)。

STEG系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱電發(fā)電(TEG)系統(tǒng)組成。集熱系統(tǒng)光吸收與光熱轉(zhuǎn)換效率、熱傳輸與存儲(chǔ)過(guò)程中熱量損失及TEG系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率決定了STEG系統(tǒng)總體效率。雖然目前STEG系統(tǒng)采用的集熱方式、工作溫度和材料等各有不同，但其總體結(jié)構(gòu)可總結(jié)為圖1所示的構(gòu)型。太陽(yáng)輻射經(jīng)不同光學(xué)系統(tǒng)聚光后，由集熱系統(tǒng)中涂成黑色的或者選擇性太陽(yáng)能吸收材料制成的吸熱器將光能轉(zhuǎn)換成熱能并傳導(dǎo)至熱電器件熱端?？梢钥闯?，此類吸熱器的工作方式屬于表面式吸收，最高溫度點(diǎn)將出現(xiàn)在吸熱表面。通過(guò)傳熱分析可以發(fā)現(xiàn)，在圖1所示結(jié)構(gòu)中，70％以上太陽(yáng)輻射能通過(guò)吸熱器的再輻射和自然對(duì)流傳熱損耗，導(dǎo)致STEG系統(tǒng)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(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的波動(dòng)性，太陽(yáng)能的獲取總是間歇而不連續(xù)的，造成了能量供求之間在時(shí)間和空間上的不匹配，使得太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)很難平穩(wěn)運(yùn)行。采用儲(chǔ)熱系統(tǒng)將收集到的部分太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)提供熱能，從而達(dá)到容量緩沖、電力輸出平穩(wěn)、提高利用率等目的。太陽(yáng)能儲(chǔ)熱一般可分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱。而顯熱儲(chǔ)熱主要是通過(guò)材料溫度的上升或下降而存儲(chǔ)熱能，具有原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、材料來(lái)源豐富、成本低廉等特點(diǎn)，是目前太陽(yáng)能儲(chǔ)熱技術(shù)中最成熟且已取得商業(yè)化應(yīng)用的儲(chǔ)熱材料。顯熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)需要依靠材料的溫度變化進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，因此理想的太陽(yáng)能顯熱存儲(chǔ)介質(zhì)應(yīng)具有高的比熱容、高的熱導(dǎo)率和高的化學(xué)穩(wěn)定性，然而很少有材料同時(shí)滿足這些要求。

此外，強(qiáng)化冷端散熱以降低熱電器件冷端溫度，是提高STEG系統(tǒng)輸出電壓與輸出功率的另一途徑。如果熱量在STEG系統(tǒng)的冷端積聚，無(wú)法迅速有效地散發(fā)掉，將使冷端溫度上升，導(dǎo)致冷熱端溫差下降，從而影響STEG系統(tǒng)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于納米流體提高太陽(yáng)能熱電發(fā)電效率的系統(tǒng)。

本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的：一種基于納米流體提高太陽(yáng)能熱電發(fā)電效率的系統(tǒng)，所述基于納米流體提高太陽(yáng)能熱電發(fā)電效率的系統(tǒng)包括：基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)、基于納米流體儲(chǔ)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(fā)電系統(tǒng)，基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)通過(guò)管道和基于納米流體儲(chǔ)熱池連接，基于納米流體儲(chǔ)熱池通過(guò)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(fā)電系統(tǒng)直接安裝在一起，基于納米流體冷端散熱器為熱電發(fā)電系統(tǒng)的散熱器，基于納米流體冷端散熱器通過(guò)管道和熱電發(fā)電系統(tǒng)連接在一起。

在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)內(nèi)安裝有太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)。

在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)采用的納米流體種類的基液包括水基、有機(jī)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(fā)明的具體實(shí)施例中，所述基于納米流體儲(chǔ)熱池內(nèi)安裝有具有儲(chǔ)能功能的相變材料；所述基于納米流體儲(chǔ)熱池采用納米流體顯熱儲(chǔ)熱和相變材料潛熱儲(chǔ)熱相結(jié)合的方式。

在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，相變材料包括無(wú)機(jī)類相變材料和有機(jī)類相變材料、復(fù)合相變材料、改性后的相變材料。

在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，無(wú)機(jī)類相變材料包括：結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類；有機(jī)類相變材料包括：石蠟、棕櫚酸。

在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，基于納米流體冷端散熱器為板翅式換熱器。

在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，基于納米流體儲(chǔ)熱池的底部加裝攪拌裝置。

本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明提供的基于納米流體提高太陽(yáng)能熱電發(fā)電效率的系統(tǒng)，基于納米流體的直接吸收式太陽(yáng)能集熱器，利用的是納米流體體積式吸收過(guò)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(tǒng)的熱阻；同時(shí)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(tǒng)的散熱損失。

本發(fā)明將基于納米流體直接吸收式集熱系統(tǒng)吸收轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)輻射能直接存儲(chǔ)于納米流體池。由納米流體兼作吸熱介質(zhì)、儲(chǔ)熱介質(zhì)和傳熱介質(zhì)，在太陽(yáng)能光熱吸收、儲(chǔ)存和輸運(yùn)系統(tǒng)內(nèi)免除熱交換器，簡(jiǎn)化換熱環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)吸熱、傳熱及儲(chǔ)熱一體化，從而降低熱阻，減少熱量損失。

本發(fā)明中相變材料儲(chǔ)熱密度大、熱穩(wěn)定性好，選擇相變材料作為STEG系統(tǒng)輔助儲(chǔ)能材料，有利于進(jìn)一步提高熱能儲(chǔ)存密度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明的納米流體應(yīng)用到STEG系統(tǒng)冷端冷卻系統(tǒng)，可以強(qiáng)化冷端傳熱，降低其溫度，從而提升STEG系統(tǒng)的效率。

附圖說(shuō)明

圖1為常用的太陽(yáng)能熱電發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)型示意圖。

圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為納米流體流速與熱電發(fā)電效率提高比。

圖4為納米流體和基液(水)在24h內(nèi)吸收太陽(yáng)光后溫度的變化。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示：本發(fā)明提供的基于納米流體提高太陽(yáng)能熱電發(fā)電效率的系統(tǒng)，包括基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)100、基于納米流體儲(chǔ)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(fā)電系統(tǒng)500，基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)100通過(guò)管道和基于納米流體儲(chǔ)熱池200連接，基于納米流體儲(chǔ)熱池200通過(guò)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(fā)電系統(tǒng)500直接安裝在一起，基于納米流體冷端散熱器300為熱電發(fā)電系統(tǒng)500的散熱器，基于納米流體冷端散熱器300通過(guò)管道和熱電發(fā)電系統(tǒng)500連接在一起。

基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)100即是吸熱材料有時(shí)傳熱材料。

基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)100內(nèi)安裝有太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)。

基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)100采用的納米流體種類的基液包括水基、有機(jī)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(chǔ)熱池200內(nèi)安裝有具有儲(chǔ)能功能的相變材料；基于納米流體儲(chǔ)熱池200采用納米流體顯熱儲(chǔ)熱和相變材料潛熱儲(chǔ)熱相結(jié)合的方式。

相變材料包括但不限于無(wú)機(jī)類相變材料主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機(jī)類相變材料主要包括石蠟、棕櫚酸和其他有機(jī)物；各類復(fù)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(fā)揮出納米流體強(qiáng)化傳熱的特點(diǎn)。

本發(fā)明中的基于納米流體直接吸收式真空管集熱系統(tǒng)100采用槽式線聚焦，配有太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)以便盡可能采集更多的太陽(yáng)能。槽式集熱鏡場(chǎng)采用FLABEG反射鏡面，太陽(yáng)光經(jīng)其反射至直接吸收式真空集熱管，并對(duì)管內(nèi)的納米流體進(jìn)行加熱。由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、大比表面積效應(yīng)以及界面原子排列和鍵組態(tài)的無(wú)規(guī)則特性使得納米微粒的光學(xué)特性有了較大的變化，具有特殊的光吸收性質(zhì)。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(yùn)性能，利用納米流體體積式吸收過(guò)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(tǒng)的熱阻；同時(shí)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(tǒng)的散熱損失。

在本發(fā)明中，經(jīng)太陽(yáng)光加熱后納米流體進(jìn)入基于納米流體儲(chǔ)熱池200。儲(chǔ)熱池底部加裝攪拌裝置，保證納米流體內(nèi)納米粒子分散穩(wěn)定。納米流體池外部和池內(nèi)放置相變儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，保證納米流體溫度穩(wěn)定、減少散熱損失和防止溫度過(guò)高。外部相變儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)202外面以隔熱材料包裹203，降低納米流體池與環(huán)境之間的熱交換。納米流體不僅具有突出的光熱吸收轉(zhuǎn)換性能和熱傳輸性能，本身也是優(yōu)異的顯熱儲(chǔ)熱材料。將基于納米流體直接吸收式集熱系統(tǒng)吸收轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)輻射能直接存儲(chǔ)于納米流體池，可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光熱吸收、儲(chǔ)存和輸運(yùn)系統(tǒng)內(nèi)免除熱交換器，簡(jiǎn)化換熱環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)吸熱、傳熱及儲(chǔ)熱一體化，同時(shí)，增加含有相變材料的儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)，利用相變材料的潛熱熱能儲(chǔ)存具有儲(chǔ)能密度高，在恒定的溫度儲(chǔ)存和釋放熱能等特點(diǎn)，進(jìn)一步提高熱能儲(chǔ)存密度和穩(wěn)定性。

在本發(fā)明中，基于納米流體冷端散熱器300中，納米流體因?yàn)槭窃谠褐屑尤爰{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(qiáng)化傳熱介質(zhì)，能夠有效增強(qiáng)冷端散熱，降低熱電器件冷端溫度，有效提高熱電器件轉(zhuǎn)換效率。納米流體基液包括水基、有機(jī)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(fā)明中，納米流體池內(nèi)納米流體經(jīng)過(guò)四周排布熱電器件的發(fā)電區(qū)域與熱電器件熱端進(jìn)行充分熱交換之后再次進(jìn)入太陽(yáng)能直接吸收式真空管。依據(jù)納米流體特性，在熱端采用板翅式換熱器，一定程度上導(dǎo)致納米流體內(nèi)顆粒間的碰撞作用和微對(duì)流會(huì)更加明顯，因此能充分發(fā)揮出納米流體強(qiáng)化傳熱的特點(diǎn)。同時(shí)利用小型泵保證納米流體具有合適的流速和流量。通過(guò)調(diào)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(shí)，熱電器件冷熱端和換熱器之間存在極細(xì)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(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(fā)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(duì)碲化鉍基材料組成。熱電發(fā)電系統(tǒng)由多組熱電器件串聯(lián)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(jìn)一步阻礙熱量向冷端傳輸。依據(jù)熱電臂的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等物理特性，調(diào)整隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及空氣隔離層的位置，提高熱電器件轉(zhuǎn)換性能。

在本發(fā)明中，除了上述構(gòu)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(dòng)的管路，納米流體儲(chǔ)熱池和管路中排液管以及補(bǔ)液管，提供納米流體流動(dòng)動(dòng)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(dòng)動(dòng)力的泵。納米流體、熱電器件溫度監(jiān)控系統(tǒng)等安全保護(hù)措施。

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

實(shí)施例一

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

實(shí)施例二

利用兩組直接吸收式真空管模擬不同流體太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換性能，測(cè)試時(shí)，兩組集熱器的真空集熱管在相同的陽(yáng)光照射下，吸收相同的熱量，換熱介質(zhì)由輸液泵輸送，從安裝在真空集熱管內(nèi)的流道管流過(guò)，換熱介質(zhì)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(yáng)能熱水系統(tǒng)換熱介質(zhì)時(shí)24小時(shí)內(nèi)的溫度變化測(cè)試結(jié)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(duì)于所用到的三種納米流體，在24小時(shí)內(nèi)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(yáng)光光照強(qiáng)度同步，而是有較大的滯后，太陽(yáng)光在11：30光照強(qiáng)度達(dá)到最大，而流體溫度幾乎都是在15：00前后達(dá)到最高，滯后時(shí)間達(dá)3個(gè)半小時(shí)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是流體的總熱容較大；太陽(yáng)光在18：00以后的光照強(qiáng)度很小，但這時(shí)流體的溫度還是保持比較高的水平，在凌晨6：00時(shí)，流體的溫度降至最低，隨后又逐漸升高開始第二個(gè)循環(huán)。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。