一种磁场辅助纳米流体直接吸收式聚光型磁流体太阳能集热装置的制作方法

本发明属于太阳能热利用以及蒸汽发生领域，具体涉及一种磁场辅助纳米流体直接吸收式聚光型磁流体太阳能集热装置。

背景技术：

在所有可再生能源中，太阳能是最为丰富的一种，地球表面接收的年有效太阳辐射能量约为340000ej，是21世纪最重要的能源之一。太阳能热利用按工作温度划分为三个领域：80℃以下为低温领域、80℃-250℃为中温领域、250℃-800℃为高温领域。目前常规中温集热方式为间接吸收集热，主要依靠真空镀膜管上的选择性吸收涂层吸收太阳能辐射加热内部工质，通过导热和对流的方式将热量传递给管内流体。这种太阳能吸收装置因吸收太阳光后温度最高点出现在玻璃管外壁上，因此玻璃管容易因温差造成炸裂。因此真空镀膜管存在两大关键技术难题：玻璃与金属封接技术难度大；选择性吸收涂层耐热性能和真空度难长久保持。导致系统稳定性、可靠性和耐久性差，成为其应用的主要障碍。此外，真空镀膜管制造工艺复杂，成本较高。

纳米流体直接吸收太阳能集热器的传热机理是辐射光线射到单个纳米粒子上时，会出现吸收、散射、透射等现象。纳米顿粒吸收辐射升温后通过导热的方式将热量传递给包裹颗粒的双电层，再通过对流的方式传递给外部液体。而透射和散射辐射受到其他颗粒的遮挡，被它们再次吸收。辐射被反复吸收是导致纳米流体宏观上表现出高吸收系数和消光系数的原因。纳米流体直接吸收太阳能集热器利用透明容器内的纳米流体集热介质直接吸收太阳辐射，集热介质既是吸热材料，也是传热和载热材料。纳米流体直接吸收集热器的优点体现在：(1)载热介质同时作为辐射吸收介质，直接吸收集热器中太阳辐射直接逐层被集热管内分散在流体中的纳米颗粒吸收，相比传统采用吸收涂层的集热管，吸热区域在容器内部而非管壁，因此具有更大的吸收辐射的面积，且集热管壁温度低于载热流体，玻璃管不易炸裂；(2)直接吸收集热器无需使用吸收涂层，制造简单、成本较低，不存在选择性吸收涂层的锻膜工艺及长期使用下涂层氧化、脱落等问题；(3)可从纳米颗巧的性质、形状、粒径和浓度等方面优化直接吸收集热器，使其适应不同的场景。

虽然纳米流体直接吸收太阳能集热器能够有效提高对太阳能光热的吸收，而且还可以通过改变纳米颗粒的种类、尺寸、形状等提高对太阳能光热的吸收效率，但是自然界很难找到一种和太阳能可见光波段完全匹配且高吸收的物质。纳米磁流体是一类特殊的纳米流体，它既具有固体物质的磁性，又具有液体的流动特性。当有外加磁场作用时，它可以被控制、定位、定向和移动，也起到强化传热作用，同时，磁性纳米粒子的分布结构特征会发生变化，使得纳米磁流体的光学性质会发生变化。在有外加磁场时，纳米磁流体在磁场的作用下沿磁力线形成规则有序的空间排布形如山丘型结构的突起，这些由纳米流体形成的山丘型结构可以使光在各个峰体形成的空间中多次反射散射吸收，形成捕获光束的特殊结构。可以通过控制磁场布置方式和磁场强度以改变磁力线分布和山丘型结构大小从而改变磁性粉体的空间排布结构来匹配太阳光的波长，提高对光热的吸收率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提高太阳能中温集热效率和太阳能传热效率，解决传统太阳能集热器吸收涂层耐高温和耐久性差，传热温差大导致的可逆损失增加，在聚光工况下集热管周围温差大易引起集热管破裂等问题。本发明提出一种磁场辅助纳米流体直接吸收式聚光型磁流体太阳能集热装置，能够通过纳米流体有效提高光热吸收传热效率，同时利用外加磁场在纳米流体中形成纳米磁流体山丘型结构补充吸收太阳能，利用太阳热能产生中、低温区蒸汽。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种磁场辅助纳米流体直接吸收式聚光型磁流体太阳能集热装置，包括太阳能定位追踪反射装置、太阳能吸收装置和换热蒸汽发生装置；

所述太阳能定位追踪反射装置包括聚光器(2)、三角支架(15)、永磁铁(3)和单轴光向追踪器(6)，所述聚光器(2)为半弧状，所述聚光器(2)一端架设在三角支架(15)上，且所述聚光器(2)另一端倾斜向上，所述永磁铁(3)排布在聚光器(2)的内凹面上，所述单轴光向追踪器(6)连接在聚光器(2)侧端，且所述单轴光向追踪器(6)连通有电源；

所述太阳能吸收装置包括玻璃真空外管一(4)、玻璃真空内管一(5)、玻璃隔离管(13)和金属密封件一(9)，所述玻璃真空内管一(5)嵌套在玻璃隔离管(13)外，且所述玻璃真空外管一(4)嵌套在玻璃真空内管一(5)外，所述玻璃真空外管一(4)、玻璃真空内管一(5)的管口均齐平，且所述玻璃真空外管一(4)、玻璃真空内管一(5)的管口通过金属密封件一(9)来密封，所述玻璃隔离管(13)伸出金属密封件一(9)，所述玻璃真空外管一(4)架设在聚光器(2)上，所述玻璃真空外管一(4)管口倾斜向上，且所述玻璃真空外管一(4)处于聚光器(2)上的聚光处；所述玻璃隔离管(13)填充有水(10)，所述玻璃真空内管一(5)和玻璃隔离管(13)之间填充有纳米流体吸收工质(11)和纳米磁流体吸收工质(12)；

所述换热蒸汽发生装置包括玻璃真空外管二(7)和金属密封件二(16)，所述玻璃真空外管二(7)套设在伸出金属密封件一(9)的玻璃隔离管(13)外，且所述玻璃真空外管二(7)的中心轴与玻璃隔离管(13)的中心轴在同一条直线上，所述玻璃真空外管二(7)另一端由金属密封件二(16)来密封，所述玻璃隔离管(13)伸出金属密封件一(9)的端部也通过金属密封件二(16)来密封，所述玻璃真空外管二(7)上还开设有进水口(1)和出水口(8)。

进一步的，所述聚光器(2)连接在三角支架(15)的中部，所述三角支架(15)的中部安装有弧形滑轨，所述弧形滑轨关于最低点相互对称，且所述聚光器(2)与弧形滑轨的连接处安装有滑轮；

聚光器(2)位于弧形滑轨的最低点时，聚光器(2)与水平面成30°角，聚光器(2)位于弧形滑轨的任一侧高点时，聚光器(2)与水平面成60°角。

进一步的，所述永磁铁(3)分成两列均匀排列在聚光器(2)上，两列永磁铁(3)与聚光器(2)轴心呈60℃角对称分布在聚光器(2)表面两侧，每列具有五个永磁铁(3)。

进一步的，所述纳米磁流体吸收工质(12)处于玻璃真空内管一(5)的底部的两侧。

进一步的，所述玻璃真空外管一(4)和玻璃真空内管一(5)之间真空设置，所述玻璃真空外管二(7)与玻璃隔离管(13)之间真空设置。

进一步的，所述玻璃真空内管一(5)内部的两侧还设置有金属支撑件(14)，每一侧均包括两个金属支撑件(14)，两个金属支撑件(14)在玻璃真空内管一(5)任一侧对称设置，所述玻璃隔离管(13)夹持在金属支撑件(14)中。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明提出一种磁场辅助纳米流体直接吸收式聚光型磁流体太阳能集热装置，能够通过纳米流体有效提高光热吸收传热效率，同时利用外加磁场在纳米流体中形成纳米磁流体山丘型结构补充吸收太阳能，利用太阳热能产生中、低温区蒸汽，使太阳能集热装置有更大的吸收辐射面积，且玻璃真空管壁温度低于载热流体，不易炸裂。本装置制造简单、成本较低，不存在选择性吸收涂层的锻膜工艺及长期使用下涂层氧化、脱落等问题，可适应家庭、工厂等不同的场景。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中太阳能吸收装置和换热蒸汽发生装置的结构示意图；

图3是本发明中聚光器反射太阳光的示意图；

图4是本发明中纳米磁流体吸收工质吸收太阳光的结构示意图；

图5是本发明中聚光器的摆动示意图；

图6是本发明中聚光器和永磁铁的位置关系示意图。

附图标记说明：

1-进水口、2-聚光器、3-永磁铁、4-玻璃真空外管一、5-玻璃真空内管一、6-单轴光向追踪器、7-玻璃真空外管二、8-出水口、9-金属密封件一、10-水、11-纳米流体吸收工质、12-纳米磁流体吸收工质1、13-玻璃隔离管、14-金属支撑件、15-三角支架、16-金属密封件二。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步、详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，一种磁场辅助纳米流体直接吸收式聚光型磁流体太阳能集热装置，包括太阳能定位追踪反射装置、太阳能吸收装置和换热蒸汽发生装置；

太阳能定位追踪反射装置包括聚光器2、三角支架15、永磁铁3和单轴光向追踪器6。聚光器2为半弧状，具体为u型弧状金属制品，表面镀一层有高反射率的物质薄膜，当太阳光线照射在表面上时，根据snell反射定律能有最大程度上使不能直接照射在管上被吸收的各个方向的太阳光线聚焦集中反射到真空管上被吸收，同时一些没来得及被纳米流体吸收从而穿透真空管的光可以由聚光器2再次反射，达到二次吸收的作用，从而提高对太阳能的吸收效率。聚光器2一端架设在三角支架15上，且聚光器2另一端倾斜向上，聚光器2的内凹面朝上。如图5所示，聚光器2连接在三角支架15的中部，三角支架15的中部安装有弧形滑轨，弧形滑轨关于最低点相互对称，且聚光器2与弧形滑轨的连接处安装有滑轮，聚光器2位于弧形滑轨的最低点时，聚光器2与水平面成30°角，聚光器2位于弧形滑轨的任一侧高点时，聚光器2与水平面成60°角。在早上刚工作时与地平线呈30°开始接收太阳光线，角度随着一天中光线的改变而改变，在傍晚时反方向与地平线呈30°接收最后的太阳光线。如图6所示，永磁铁3排布在聚光器2的内凹面上，且永磁铁3分成两列均匀排列在聚光器2上，每列具有五个永磁铁3，两列永磁铁3与聚光器2轴心呈60℃角对称分布在聚光器2表面两侧。永磁铁3形成的磁场可以使太阳能管中的纳米磁流体受磁场激发，沿磁场分布方向形成山丘型结构的突起。单轴光向追踪器6连接在聚光器2侧端，且单轴光向追踪器6通过导线连通有电源，用于追踪光线方向。单轴光向追踪器因对光照强度敏感，可根据光照强度即光线方向的改变从而自己的接收面。单轴光向追踪器6与聚光器2相连接，在自身转动追踪光线的同时带动聚光器2同时转动，能够使聚光器2始终正对着太阳，接收最大强度的光照，从而提高对太阳能的吸收效率。

如图2所示，太阳能吸收装置包括玻璃真空外管一4、玻璃真空内管一5、玻璃隔离管13和金属密封件一9，玻璃真空内管一5嵌套在玻璃隔离管13外，玻璃真空内管一5内部的两侧设置有金属支撑件14，每一侧均包括两个金属支撑件14，两个金属支撑件14在玻璃真空内管一5任一侧对称设置，玻璃隔离管13夹持在金属支撑件14中，金属支撑件14对玻璃隔离管13起到固定作用，同时可缓解玻璃隔离管13因热应力变形而造成的损失问题。玻璃真空外管一4、玻璃真空内管一5、玻璃隔离管13的中心轴在同一条直线上。玻璃真空外管一4嵌套在玻璃真空内管一5外，玻璃真空外管一4和玻璃真空内管一5之间真空设置，能够有效隔热，从而降低热量损失。玻璃真空外管一4、玻璃真空内管一5的管口均齐平，且玻璃真空外管一4、玻璃真空内管一5的管口通过金属密封件一9来密封，玻璃隔离管13伸出金属密封件一9，金属密封件一9与玻璃真空内管一5、玻璃真空外管一4紧密相连。玻璃真空外管一4架设在聚光器2上，玻璃真空外管一4管口倾斜向上，玻璃真空外管一4与聚光器2平行，且玻璃真空外管一4处于聚光器2上的聚光处；玻璃隔离管13填充有水10，玻璃真空内管一5和玻璃隔离管13之间填充有纳米流体吸收工质11和纳米磁流体吸收工质12，且纳米磁流体吸收工质12处于玻璃真空内管一5的底部的两侧。纳米流体吸收工质11是在导热油或其他基液中添加了高吸收率和高导热率的纳米颗粒，能够有效提高对太阳能的吸收效率。同时不同的纳米颗粒材质有不同的太阳光吸收波段，还可改变所添加的纳米颗粒的材质让其与其吸收的太阳光波段相匹配，增加或匹配对不同波段太阳光的吸收。纳米磁流体吸收工质12位于纳米流体吸收工质11中，因纳米磁流体吸收工质12在无外加磁场时表现为液体的特性，在有外加磁场时具有固体的特性，同时纳米磁流体吸收工质12也具有良好的吸收率和导热率。如图3和图4所示，在聚光器2上永磁铁3点阵所激发的磁场中，纳米磁流体吸收工质12会沿着磁场方向形成固定的山丘型结构，太阳光线照射在这些突起的结构上时不断地被反复吸收和反射，直至太阳光被完全吸收。

换热蒸汽发生装置包括玻璃真空外管二7和金属密封件二16，玻璃真空外管二7套设在伸出金属密封件一9的玻璃隔离管13外，玻璃真空外管二7与玻璃隔离管13之间真空设置。玻璃真空外管二7的中心轴与玻璃隔离管13的中心轴在同一条直线上，玻璃真空外管二7另一端由金属密封件二16来密封，玻璃隔离管13伸出金属密封件一9的端部也通过金属密封件二16来密封，对玻璃隔离管13内部的水隔离密封。玻璃真空外管二7上还开设有进水口1和出水口8，冷水进入管内经过太阳能吸收装置换热升温后由出水口排出。

本发明的工作流程如下：

当本发明装置开始工作时，太阳光首先通过透明的玻璃真空外管一4和玻璃真空内管一5照射在纳米流体吸收工质11上，绝大部分的太阳光被纳米流体工质11所吸收转变为热能，还有一部分未被纳米流体工质11所吸收的太阳光到达底部纳米磁流体吸收工质12中，因永磁铁3点阵外加磁场所形成的山丘型结构中，再次不断地被纳米磁流体工质12所反射和吸收，还有一部分未直接照射在纳米流体吸收工质11上但照射在聚光器2的太阳光被聚光器2所反射，聚焦在管中的纳米流体工质11上被吸收。纳米流体吸收工质11和纳米磁流体工质12吸收太阳光之后温度会随之升高，通过热传递，将热量传递给u型玻璃隔离管13内的水10，使水温增高，冷水不断由进水口1进入，升温后的热水随着出水口8排出供日常家庭或工业所用。不同时间段太阳光的照射角度不同，此时单轴光向追踪器6可根据太阳光的照射角度调整聚光器2的角度，使太阳光始终正对着聚光器2中部，最大程度上接收最强的太阳光。本装置中的太阳能吸收装置部分还可以大规模套接排列，以供不同应用场合的需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。