本發(fā)明涉及光伏熱分頻試驗(yàn)的，具體涉及一種納米磁流體調(diào)控太陽光譜分頻試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、能源與環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，太陽能作為主要可再生能源之一，具有儲量巨大、分布廣泛且清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能降耗中發(fā)揮重要作用。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生活和工業(yè)領(lǐng)域。太陽能光伏電池對波長具有依賴性，其光譜響應(yīng)與材料本身禁帶寬度相關(guān)。因此，全光譜太陽輻射能中只有能量大于光伏半導(dǎo)體材料禁帶寬度的光子才能激發(fā)產(chǎn)生光伏效應(yīng)，而其余大部分光子的能量會轉(zhuǎn)變成熱能，使電池工作溫度升高，開路電壓大大降低，導(dǎo)致發(fā)電效率下降及能量損失。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)目前常用硅太陽能電池，溫度每升高1℃?就會導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低0.45%。同時(shí)光伏電池還會因?yàn)殚L期在高溫條件下工作而導(dǎo)致其老化縮短使用年限。

2、傳統(tǒng)的太陽能光伏熱系統(tǒng)，通常是通過在太陽能電池板背面設(shè)置水夾層并連接水循環(huán)系統(tǒng)，將太陽能電池板產(chǎn)生的熱量帶走。這樣既提高電池光電轉(zhuǎn)換效率又獲得了熱能；但這種結(jié)構(gòu)的光伏熱系統(tǒng)只能被動(dòng)吸收太陽能電池板生產(chǎn)的熱量，太陽能綜合利用效率仍然有待進(jìn)一步提高。

3、為了從根本上解決光伏電池吸熱升溫降低發(fā)電效率，同時(shí)獲得高品位熱能，人們進(jìn)一步設(shè)計(jì)出采用分頻型熱解耦式的光伏熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)在太陽能板前方設(shè)置一個(gè)分頻器，利用太陽光譜分頻技術(shù)將光伏電池光譜響應(yīng)高的波段即“分頻窗口”直接入射到電池上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，其余波段的太陽光譜被分頻器直接吸收獲得熱量。這樣光電單元和光熱單元獨(dú)立布置且并行工作，實(shí)現(xiàn)了光伏利用和光熱利用溫度上的解耦。一方面避免了光電不可用太陽輻射波段被光伏組件吸收導(dǎo)致溫度過高發(fā)電效率下降，另一方面也解除了集熱溫度受光伏電池工作溫度的限制從而獲得更高溫度熱能，擴(kuò)大太陽能的應(yīng)用范圍。

4、分頻型熱解耦式的光伏熱系統(tǒng)中，有一種采用納米磁流體工質(zhì)實(shí)現(xiàn)分頻的技術(shù)。納米磁流體由磁性粒子和基液組成，具有良好的選擇性光譜吸收特性，作為一種新型工質(zhì)既具有固體磁材料的磁性又具有流體的流動(dòng)性且對外加磁場具有良好的響應(yīng)，這樣可以方便采用外加磁場對流體工質(zhì)的性狀進(jìn)行調(diào)節(jié)。尤其是納米磁流體采用磁性碳納米管時(shí)，由于磁場作用下還能夠形成指向性的傳熱通道，能夠更好地調(diào)節(jié)其傳熱性能。故可以依靠改變磁性納米粒子的形貌、濃度及基液等參數(shù)使其具有可調(diào)控光譜選擇性吸收特性、光熱轉(zhuǎn)換特性、以及熱磁對流效應(yīng)；能夠更好地利用磁場實(shí)現(xiàn)流體的流動(dòng)和傳熱控制調(diào)節(jié)，改良光伏熱系統(tǒng)性能。在分頻型熱解耦式的光伏熱系統(tǒng)中，具體應(yīng)該對納米磁流體工質(zhì)怎樣調(diào)控才能更好地實(shí)現(xiàn)光伏熱分頻，提高太陽能利用效果，成為有待研究的問題。

5、申請人曾申請過的專利cn202110665393.8曾公開了一種蓄冷槽蓄冷工質(zhì)試驗(yàn)方法，但該方法只能用于獲得具有更好傳熱效率的磁性納米粒子濃度比例，以及對應(yīng)的控制磁場大小。

6、cn201711283408.4曾公開過一種測試納米磁流體調(diào)控太陽能全光譜分頻輸出的裝置，裝置包括亥姆霍茲線圈以及光伏一體化裝置，光伏一體化裝置包括流量控制閥、數(shù)據(jù)采集裝置、光伏裝置、冷水循環(huán)系統(tǒng)、節(jié)流閥、第二水泵、熱交換器、納米流體保溫水箱以及第一水泵；光伏一體化裝置中的光伏裝置置于亥姆霍茲線圈的正中央，位于亥姆霍茲線圈產(chǎn)生豎直和水平于豎直方向的磁場中。該發(fā)明將亥姆霍茲線圈用作磁場發(fā)生器，在光照的同時(shí)施加垂直或水平于磁場方向的磁場，通過觀察安捷倫中電壓電流及溫度的數(shù)值顯示從而判斷磁性納米流體在磁場的作用下對光的分頻吸收的程度。但該測試裝置主要是研究磁場直接作用于分頻器的情況下，磁場改變后對光的吸收程度的影響。

7、故對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，怎樣設(shè)計(jì)一種能夠研究不同光照情況下，怎樣通過對納米磁流體濃度的調(diào)控，更好地吸收利用太陽能光譜的技術(shù)，成為有待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：怎樣提供一種能夠更好地研究不同光照情況下，怎樣通過對納米磁流體濃度的調(diào)控，更好地吸收利用太陽能光譜的納米磁流體調(diào)控太陽光譜分頻試驗(yàn)方法，使其用于分頻型熱解耦式的光伏熱系統(tǒng)后，能夠根據(jù)光照情況實(shí)現(xiàn)更加高效的太陽能利用。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

3、一種納米磁流體調(diào)控太陽光譜分頻試驗(yàn)方法，采用納米磁流體工質(zhì)實(shí)現(xiàn)光伏熱系統(tǒng)的分頻控制，其特征在于，采用太陽能模擬器以固定強(qiáng)度照射分頻器，調(diào)節(jié)分頻器內(nèi)納米磁流體工質(zhì)為不同的濃度情況下，測試在特定照射時(shí)間內(nèi)分頻器導(dǎo)出的熱能數(shù)值和分頻器后方的太陽能板產(chǎn)生的電能數(shù)值，計(jì)算光電光熱綜合性能效率為最大值時(shí)對應(yīng)的納米磁流體工質(zhì)濃度為最佳納米磁流體工質(zhì)濃度；調(diào)節(jié)太陽能模擬器的照射強(qiáng)度重復(fù)試驗(yàn)，即獲得不同太陽強(qiáng)度下的最佳納米磁流體工質(zhì)濃度大小。

4、這樣，本方法能夠試驗(yàn)獲得分頻型熱解耦式光伏熱系統(tǒng)在不同太陽強(qiáng)度下的最佳納米磁流體工質(zhì)濃度大小，這樣用于系統(tǒng)控制即可最大程度提高太陽能的吸收利用效率。故本方法獲得的試驗(yàn)結(jié)果，適合在分頻型熱解耦式光伏熱系統(tǒng)工作時(shí)，對光伏和光熱轉(zhuǎn)換不具有特定要求的情況下應(yīng)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

5、進(jìn)一步地，調(diào)節(jié)納米磁流體工質(zhì)濃度時(shí)，通過在納米磁流體工質(zhì)的循環(huán)管道內(nèi)接入一個(gè)電磁鐵吸附裝置，在電磁鐵吸附裝置外表面吸附一層磁性納米粒子備用，當(dāng)需要增加納米磁流體工質(zhì)濃度時(shí)控制降低電磁鐵吸附裝置磁吸力并釋放出部分磁性納米粒子進(jìn)入循環(huán)管道，當(dāng)需要降低納米磁流體工質(zhì)濃度時(shí)控制提高電磁鐵吸附裝置磁吸力并吸收部分磁性納米粒子附著在外表面。

6、這樣，可以達(dá)到在線調(diào)節(jié)納米磁流體工質(zhì)濃度的效果，不用將納米磁流體工質(zhì)導(dǎo)出導(dǎo)入循環(huán)管道，具有方便快捷高效可靠的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)施時(shí)納米磁流體工質(zhì)中采用的磁性納米粒子為磁性碳納米管，具有更好地傳熱性和可控性。

7、進(jìn)一步地，本方法采用一種納米磁流體調(diào)控太陽光譜分頻試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述納米磁流體調(diào)控太陽光譜分頻試驗(yàn)系統(tǒng)，包括一個(gè)太陽能模擬器，太陽能模擬器照射方向上正對設(shè)置有采用納米磁流體工質(zhì)為分頻液的分頻器，分頻器后方相隔設(shè)置有光伏板，分頻器的進(jìn)口和出口通過管路連接到一個(gè)蓄熱水箱并形成循環(huán)管道，循環(huán)管道上設(shè)置有熱流循環(huán)維持裝置和分頻液濃度控制模塊，所述光伏板的輸出端連接有功率分析儀，蓄熱水箱內(nèi)設(shè)置有水箱溫度傳感器，所述功率分析儀、水箱溫度傳感器和太陽能模擬器分別和控制電腦相連。

8、這樣，采用控制電腦控制太陽能模擬器以特定強(qiáng)度持續(xù)照射分頻器，通過分頻液濃度控制模塊控制調(diào)節(jié)納米磁流體工質(zhì)濃度維持不同的大小，分別照射相同的時(shí)間后，依靠功率分析儀檢測獲得光伏板得到的電能大小，依靠水箱溫度傳感器檢測蓄熱水箱溫度變化情況后計(jì)算獲得其吸收轉(zhuǎn)換的熱能大小。利用二者數(shù)值計(jì)算出光電光熱綜合性能效率再進(jìn)行比較，即可獲得特定光照強(qiáng)度下，能夠得到最大太陽光譜轉(zhuǎn)換效率的納米磁流體工質(zhì)濃度大小。并可反饋用于相同應(yīng)用結(jié)構(gòu)的分頻型熱解耦式光伏熱系統(tǒng)中進(jìn)行控制使用。其中太陽能模擬器、功率分析儀等裝置均為成熟現(xiàn)有設(shè)備，具體結(jié)構(gòu)和使用方式不在此詳細(xì)介紹。

9、進(jìn)一步地，循環(huán)管道位于蓄熱水箱內(nèi)的部分呈盤管狀，蓄熱水箱上端設(shè)置有冷水入口，下端設(shè)置有熱水出口。

10、這樣在一次試驗(yàn)完成后，可以通過冷水入口和熱水出口對蓄熱水箱內(nèi)的水進(jìn)行置換，使其快速恢復(fù)到相同的初始溫度以進(jìn)行第二次試驗(yàn)，保證每次試驗(yàn)結(jié)果用于比較的可靠性。同時(shí)這樣的蓄熱水箱和試驗(yàn)方法針對的分頻型熱解耦式光伏熱系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)一致，使得試驗(yàn)結(jié)果更加適于實(shí)用。

11、進(jìn)一步地，所述分頻器內(nèi)設(shè)置有分頻器溫度傳感器和控制電腦相連。

12、這樣，可以在試驗(yàn)過程中，在每次試驗(yàn)時(shí)對分頻器的溫度進(jìn)行檢測，更好地確保熱量轉(zhuǎn)換檢測的可靠性。即在試驗(yàn)過程中，如果該次試驗(yàn)分頻器的溫度升高過大，可以在計(jì)算熱量轉(zhuǎn)換的熱能大小時(shí)加上分頻器內(nèi)增加的這部分熱能，更好地保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

13、進(jìn)一步地，所述光伏板上設(shè)置有光伏板溫度傳感器和控制電腦相連。

14、這樣，可以檢測和監(jiān)控光伏板的升溫情況，提供更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并有利于對試驗(yàn)結(jié)論的輔助判斷。

15、作為一種選擇，所述熱流循環(huán)維持裝置為水泵。這樣適用于采用水泵為動(dòng)力的光伏熱系統(tǒng)試驗(yàn)。

16、作為另一種選擇，所述熱流循環(huán)維持裝置為磁場發(fā)生裝置，所述循環(huán)管道中從分頻器的出口到蓄熱水箱的這段管路的至少一部分位于磁場發(fā)生裝置的磁場內(nèi)，且該段管路的流動(dòng)方向和磁場方向一致。

17、這樣適用于采用磁場發(fā)生裝置作為熱流循環(huán)維持裝置的光伏熱系統(tǒng)試驗(yàn)。因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在磁場和溫度場協(xié)同作用下，納米磁流體具有自驅(qū)動(dòng)集熱回路流動(dòng)及傳熱特性，能夠在磁場作用下從高溫端到低溫端自發(fā)流動(dòng)。同時(shí)采用磁性碳納米管為納米粒子后，更能夠在磁場作用下完成各碳納米管之間沿長度方向的順序相連排布，會在分頻液中直接生成指向性的傳熱通道，該傳熱通道連接于高溫端和低溫端之間。故雖然磁場作用下分頻液自身的流動(dòng)速度可能相對水泵較慢，但是生成的傳熱通道能夠直接完成熱量的高速率傳遞，使得分頻器吸收的熱量能夠從分頻器快速傳遞到蓄熱水箱，使其整體傳熱效率不低于水泵。而且還可以避免水泵運(yùn)行自身對磁流體工質(zhì)的破壞，以及造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

18、進(jìn)一步地，所述磁場發(fā)生裝置為電磁鐵裝置。

19、這樣可以根據(jù)需要對其電磁強(qiáng)度進(jìn)行控制以對傳熱速率進(jìn)行控制，測試不同的電磁強(qiáng)度情況下的光伏熱轉(zhuǎn)換效率。

20、作為一種優(yōu)選，所述分頻液濃度控制模塊，包括一條分頻液濃度調(diào)節(jié)支路，分頻液濃度調(diào)節(jié)支路兩端采用三通控制閥并聯(lián)設(shè)置在循環(huán)管道上，分頻液濃度調(diào)節(jié)支路中連通設(shè)置有一個(gè)調(diào)節(jié)容器，調(diào)節(jié)容器內(nèi)設(shè)置有一個(gè)電磁鐵吸附裝置，電磁鐵吸附裝置四周預(yù)吸附有一層磁性納米粒子，三通控制閥和電磁鐵吸附裝置分別和控制電腦相連。

21、這樣，當(dāng)需要調(diào)節(jié)分頻液濃度時(shí)，依靠三通控制閥切換控制，使調(diào)節(jié)容器進(jìn)入到循環(huán)管道內(nèi)。此時(shí)靠控制中心可以控制提高電磁鐵吸附裝置的電磁強(qiáng)度，使得流經(jīng)的分頻液中的磁性納米粒子被吸附住，進(jìn)而降低分頻液中磁性納米粒子的濃度。也可以通過控制降低電磁鐵吸附裝置的電磁強(qiáng)度，使得部分吸附住的磁性納米粒子被釋放，進(jìn)而提高分頻液中磁性納米粒子的濃度。這樣就實(shí)現(xiàn)了分頻液濃度的在線調(diào)節(jié)，無需停機(jī)替換，更好地滿足測試過程要求。

22、進(jìn)一步地，分頻液濃度調(diào)節(jié)支路中串聯(lián)設(shè)置有一個(gè)提速泵。

23、這樣，可以通過提速泵增大流速，縮短濃度調(diào)節(jié)所需時(shí)間，避免等待，更好地提高試驗(yàn)效率。

24、進(jìn)一步地，所述電磁鐵吸附裝置四周向外固定連接設(shè)置有若干磁力飄帶，磁力飄帶由含有磁力材料粉末的橡膠材料制得。

25、這樣，磁力飄帶能夠形成電磁鐵吸附裝置電磁場的外延效果，產(chǎn)生對磁性納米粒子極大的吸附作用，能夠吸附足夠數(shù)量的磁性納米粒子在電磁鐵吸附裝置四周，以方便完成分頻液濃度調(diào)節(jié)的效果。

26、進(jìn)一步地，調(diào)節(jié)容器內(nèi)還設(shè)置有超聲波振蕩器。

27、這樣，在調(diào)節(jié)增大分頻液濃度的時(shí)候，在降低電磁鐵吸附裝置的磁場大小的同時(shí)，可以打開超聲波振蕩器，讓未被吸附住的磁性納米粒子能夠更好地釋放進(jìn)入到循環(huán)的分頻液中，提高了調(diào)節(jié)效果和效率。

28、進(jìn)一步地，循環(huán)管道內(nèi)還設(shè)置有磁流體濃度測量儀。

29、這樣，可以在調(diào)節(jié)分頻液濃度時(shí)進(jìn)行測量反饋控制，保證調(diào)節(jié)結(jié)果的穩(wěn)定和可靠。實(shí)施時(shí)，磁流體濃度測量儀為成熟現(xiàn)有裝置，具體結(jié)構(gòu)不在此詳述。

30、作為另一種選擇，所述分頻液濃度控制模塊，包括一條分頻液濃度調(diào)節(jié)支路，分頻液濃度調(diào)節(jié)支路兩端采用三通控制閥并聯(lián)設(shè)置在循環(huán)管道上，分頻液濃度調(diào)節(jié)支路中連通設(shè)置有一個(gè)調(diào)節(jié)容器，調(diào)節(jié)容器內(nèi)設(shè)置有一個(gè)添加腔和一個(gè)回收腔，回收腔和分頻液濃度調(diào)節(jié)支路的進(jìn)液端相接并在該端設(shè)置有回收泵，添加腔和分頻液濃度調(diào)節(jié)支路的出液端相接并在該端設(shè)置有添加泵。

31、這樣，事先把需要更換的調(diào)節(jié)好所需濃度的分頻液加入到調(diào)節(jié)容器的添加腔內(nèi)，回收腔保持空置狀態(tài)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)分頻液濃度時(shí)，依靠三通控制閥切換控制，使調(diào)節(jié)容器接入到循環(huán)管道內(nèi)，依靠回收腔和回收泵實(shí)現(xiàn)對之前分頻液濃度的回收。然后依靠添加腔和添加泵實(shí)現(xiàn)對新的分頻液的添加。這樣結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更加低廉，但是調(diào)節(jié)較為不便且不能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)。

32、綜上所述，本發(fā)明能夠更好地研究不同光照情況下，怎樣通過對納米磁流體濃度的調(diào)控，更好地吸收利用太陽能光譜，使其用于分頻型熱解耦式的光伏熱系統(tǒng)后，能夠更加高效地實(shí)現(xiàn)太陽能吸收轉(zhuǎn)換利用。