一种磁流体零碳引光太阳能集热装置

1.本发明属于太阳能热利用和光纤导光领域，具体涉及一种磁流体零碳引光太阳能集热装置。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，大量场所白天也需要电力照明以满足生活需求，化石能源燃烧发电会导致碳排放量加速上升。因此，节约能源、发展新能源，对减少能源消耗对环境带来的污染极其重要。太阳能作为一种可再生、遍布全球、且使用后不留任何污染的能源，越来越受到关注。太阳能光纤导光系统主要由采光装置和导光装置两部分组成。该系统目前主要应用于白天室内和地下场所的照明，有效减少了电耗和碳排放，缓解能源供应紧张的状况。
3.尽管现有技术已经很大程度的提高了太阳能集热效率，但是从传热的机理和实验的数据结果都反应出，在整个吸收工质中，各部分的吸热温差还是很大的。一般离阳光直射面最近的位置升温最快，最远的位置升温最慢，或者外部升温快，内部升温慢，导致整体升温慢，传热时间长。


技术实现要素：

4.发明要解决的技术问题是现有的直接吸收型集热器吸热不均而导致吸热慢、传热时间长等问题。本发明提出一种磁流体零碳引光太阳能集热装置，在不影响正常情况下集热管吸收太阳能的基础上，能够通过光纤将采集的太阳光导入集热管吸热较慢的部分，添加外部磁场控制吸收单元集中在光线分散处，使得吸收工质整体较均匀快速的集热以及传热，进一步提高了吸收工质对太阳能的吸收及传输。
5.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
6.一种磁流体零碳引光太阳能集热装置包括太阳光导光装置、太阳能吸收装置和太阳能定位追踪反射装置，所述太阳光导光装置与所述太阳能吸收装置连接，所述太阳能吸收装置固定在所述太阳能定位追踪反射装置上；
7.所述太阳光导光装置包括聚光镜，所述聚光镜的聚焦点与导光光纤的一端转动连接，所述导光光纤的另一端与所述太阳能吸收装置固定连接。
8.在一些实施方式中，所述聚光镜与所述导光光纤连接处还设有太阳能板，所述聚光镜为菲涅尔透镜。
9.在一些实施方式中，所述太阳能吸收装置包括集热管，所述集热管外套有玻璃真空内管，所述玻璃真空内管外套有玻璃真空外管，所述集热管、所述玻璃真空内管和所述玻璃真空外管通过固定挡板密封连接，所述集热管和所述玻璃真空内管之间形成容纳空间，所述集热管内设有吸收工质。
10.在一些实施方式中，所述固定挡板上设有光纤进出口，所述导光光纤穿过所述光纤进出口延伸至所述集热管内。
11.在一些实施方式中，所述固定挡板上设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口分别与所述容纳空间连通。
12.在一些实施方式中，所述固定挡板上设有吸收工质进出口，所述吸收工质进出口与所述集热管连通。
13.在一些实施方式中，所述太阳能定位追踪反射装置包括弧形的聚光反射板，所述聚光反射板上设有支架，所述太阳能吸收装置通过固定器与所述支架连接。
14.在一些实施方式中，所述聚光反射板与所述太阳能吸收装置平行的两端设有若干磁体，所述磁体通过铁丝串联，并呈线性分布。
15.在一些实施方式中，所述聚光反射板上设置装有光感应装置的智能控制器，所述智能控制器上设有旋转盘，所述旋转盘上设有永磁体。
16.在一些实施方式中，所述集热管内的吸收工质为纳米磁性材料，所述纳米磁性材料为 fe3o4包裹在石墨烯表面形成的复合磁性材料。
17.通过采用上述技术方案，本发明达到的技术效果如下：
18.1、本发明设置太阳光导光装置，使太阳能吸收装置侧面未能利用的太阳光被有效吸收，提升了太阳光的利用率。
19.2、太阳光吸收装置面向太阳光的一面吸收太阳光直射光，背向太阳光的一面吸收经聚光反射板反射的太阳光，而处于中间位置的部分难以快速吸收到太阳光，升温缓慢。本发明将导光光纤深入集热管内部，能够在现有的直接吸收型太阳能集热装置的基础上，通过采集太阳能吸收装置侧面未利用到的太阳光，经由导光光纤导入到升温较慢的中部区域，解决了内部升温缓慢的技术问题。
20.3、进一步的，集热装置内部设有吸收工质，在外部磁场的控制下磁性纳米颗粒聚集在光线分散区域，使得中部吸收与其他部分同步或接近同步的速度吸收光热，进一步提高了集热器的集热、储能效率及热传输效率，解决吸收工质内部吸热较慢或者依靠热传导升温速度慢、时间长的局限。
21.4、本发明在聚光镜与道光光纤连接处设置了太阳能光板，通过太阳能光板对太阳光的吸收情况调整聚光镜的位置即角度，使得太阳能能够最大限度的被吸收利用。
22.5、本装置制造简单、成本较低，零碳引侧面未被利用到的光导入升温慢的区域提高了太阳能的利用率以及集热效率，不存在因受热不均而导致热传输效率低、升温时间长等问题，可适应家庭、工厂等不同的场景。
附图说明
23.图1是本发明的整体结构示意图；
24.图2是本发明中太阳光导光装置的结构示意图；
25.图3是本发明中太阳能吸收装置的结构示意图；
26.图4是本发明中聚光器反射太阳光的示意图；
27.附图标记说明：
28.1-玻璃真空外管、2-玻璃真空内管、3-集热管、4-固定挡板、5-第一松紧控制器、6-出水口、7-第二松紧控制器、8-吸收工质进出口、9-进水口、10-第三松紧控制器、11-导光光纤、 12-光纤进出口、13-聚光镜、14-太阳能板、15-铁丝、16-磁体、17-聚光反射板、18-三脚
架、 19-固定器、20-支架、21-永磁体、22-智能控制器、23-旋转盘。
具体实施方式
29.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。
30.对太阳能光热的研究是人们研究的热点。磁流体直接吸收太阳能方式的直接吸收式太阳能集热器引起了人们的广泛关注。磁性纳米流体直接吸收太阳能集热器的传热机理是在传统的集热流体中添加集热能力强的磁性纳米颗粒，形成具备稳定性良好、光谱吸收强的磁性流体作为集热介质，实现集热介质对太阳能的直接吸收。磁性纳米流体既具有固体物质的磁性，又具有液体的流动特性，在外加磁场作用下，磁性纳米流体中的磁性颗粒会小范围的聚集，聚集体形状的变化，可以起到强化传热作用。磁性纳米流体的制造工艺简单、成本较低，且有较好的吸热、传热和载热能力，大大提高了集热的效率。
31.如图1-图3所示，一种磁流体零碳引光太阳能集热装置，包括太阳光导光装置、太阳能吸收装置和太阳能定位追踪反射装置；所述太阳光导光装置与所述太阳能吸收装置连接，所述太阳能吸收装置固定在所述太阳能定位追踪反射装置上。
32.所述太阳光导光装置包括聚光镜(13)，所述聚光镜(13)的聚焦点与导光光纤(11)的一端转动连接，所述聚光镜(13)与所述导光光纤(11)连接处还设有太阳能板(14)，当聚光镜13固定在一定位置，可以调控采光的角度，当太阳能板14功率最大时，此时的角度最合适。聚光镜13可以收集太阳能吸收装置侧面的太阳光，焦点处连接导光光纤11，光纤传输太阳光，尾部通过光纤进出口12伸入到集热管3中间传热慢的部分散开。
33.所述聚光镜13选用为菲涅尔透镜，也可以选用其他透镜。
34.所述太阳能吸收装置包括集热管(3)，所述集热管(3)外套有玻璃真空内管(2)，所述玻璃真空内管(2)外套有玻璃真空外管(1)，所述集热管(3)、所述玻璃真空内管(2)和所述玻璃真空外管(1)通过玻璃密封材料一起被固定在固定挡板4上。
35.所述固定挡板上还设有光纤进出口(12)，所述导光光纤(11)穿过所述光纤进出口(12) 延伸至所述集热管(3)内，实现太阳光导光装置与所述太阳能吸收装置的连接。所述固定挡板上还设有进水口(9)和出水口(6)，所述进水口(9)和所述出水口(6)分别与所述玻璃真空内管(2)和所述玻璃真空外管(1)之间的容纳空间连通；所述集热管(3)内设有吸收工质，所述固定挡板上设有吸收工质进出口(8)，所述吸收工质进出口(8)与所述集热管(3) 连通。所述出水口6和进水口9分别通过第一松紧控制器5和第三松紧控制器10与水管连接或拆除，所述吸收工质进出口8和所述光纤进出口12分别通过第二松紧控制器7实现密封作用，其可将吸收工质密封在集热管3的内部，避免其泄露。
36.所述太阳能定位追踪反射装置包括弧形的聚光反射板(17)，所述聚光反射板-17为半弧状，具体为u型弧状金属制品，其表面镀有一层具有高反射率的薄膜物质，集热管3周围的太阳光线经过反射面聚焦的被集中反射到集热管3上，进而被集热管3中的吸收工质吸收，同时一些没来得及被吸收工质吸收从而穿透真空管的光可以由聚光反射板17再次反射，达到二次吸收的作用，从而提高集热管3中距离太阳最远的部分，即图4中
③
部分对太阳能的吸收效率。
37.聚光反射板17的两端固定在三角架18上，聚光反射板17的内凹面朝上。
38.所述固定器19通过支架20固定在聚光反射板17的内凹面上，用于太阳能吸收装置的固定。
39.所述聚光反射板(17)与所述太阳能吸收装置平行的两端设有若干磁体(16)，磁体-16 是磁钢经过机械粉碎和球磨机研磨成的细小物质，所述磁体(16)通过气凝胶固定在铁丝15 上，并呈线性分布，其可以通过磁场的作用将具有磁性和高吸收、高热导的复合材料聚集在光纤导入太阳光分散的区域，二次聚焦太阳能，使得中间传热慢的部分可以充分吸收太阳能光热。
40.智能控制器22置于聚光反射板17的内凹面上，固定在旋转盘-23的下方，用于控制旋转盘23转动的角度以及转动的速度。其具体的工作是根据太阳从升起到降落的时间及弧度，合理的计算出太阳移动的速度，从而设置好旋转盘23转动的角速度，使镶嵌在旋转盘23内的永磁体21始终正对着太阳，使得永磁体21控制的吸收工质中纳米颗粒聚集体可以沿着太阳光线的方向最大化的吸收太阳的光热以及最快速度的传热，同时，不同的季节，太阳的升起到降落的时间段的长短不一样，所以，在智能控制器22表面设置了光感应装置作为旋转盘 23的工作开关，当感应装置感应到太阳光时，旋转盘23开始工作，当夜幕降临，感应装置感应不到光时，旋转盘23停止工作。此外出于节能的考虑，智能装置的表面安装了太阳能电池板，用于储存能量，为旋转盘23的转动以及智能控制器22的工作提供能量，当然，这里要根据需要来选择供电装置，也可以使用电池、发电机或直接接在家庭、工业电路中。
41.所述位于集热管3内的吸收工质是在导热油、水、eg等基液中添加了具有高吸收率和高导热率以及磁性的纳米颗粒，在分散剂的作用下纳米颗粒可以均匀稳定的分布在基液中，在永磁体-21的作用下，均匀分布的纳米颗粒开始小范围的聚集，形成链状的热通道，能够有效提高对太阳能的吸收效率。
42.实例一：
43.吸收工质的制备：采用两步法制备fe3o
4-石墨烯复合功能性纳米磁流体。在导热油中加入微量的三聚磷酸钠，在60℃的水浴条件下超声振荡20min，制备质量浓度为2g/l的三聚磷酸钠的导热油溶液。称取一定质量的干燥的纳米fe3o4粉末和纳米石墨烯，加入到三聚磷酸钠导热油溶液中，制备体积分数为5％的复合溶液，用磁力加热搅拌器搅拌，加热搅拌到80℃，在80℃的水浴条件下超声振荡35min，这样可使fe3o4完全的包裹在石墨烯的表面形成复合磁性颗粒，在分散剂的作用下均匀的分散在溶液中。石墨烯具有很好的热吸收和热传导性能但是没有磁性，fe3o4有磁性但是热吸收不是很好，上述制备的复合功能性纳米磁流体不仅具有很好的热吸收和热传导性能，还具有磁性，可被磁场控制，可以在磁场的作用下发生聚集。
44.本装置的工作流程如下：
45.当智能控制器22感应到太阳光时，旋转盘23连带着永磁体21开始转动，转到正对着太阳的方向，这时本装置开始工作，太阳光首先通过透明的玻璃真空外管1和玻璃真空内管2 照射水上，少部分的太阳光被玻璃真空内管2和集热管3中间填充的水所吸收，大部分未被水所吸收的太阳光透过水到达集热管3中装有的吸收工质中，如图4所示，吸收工质中离太阳最近的
①
部分开始集热，同时照射在聚光反射板17上的太阳光线经过聚光反射板17的聚集及反射进入到集热管3的下方的水中，同理，透过水的部分被吸收工质中的
③
部分所吸收储存，从太阳能吸收装置侧面采集到的太阳光，通过导光光纤11导光，将导光光纤11深
入到吸收工质的
②
部分，固定在铁丝15上的小磁体16通过磁场的作用控制磁性纳米流体聚集在太阳光分散的区域，提高了
②
部分的光热吸收，
②
部分吸收并储存了大量的光热，由于吸收工质吸收光热的能力比水快，所以吸收工质将其吸收的热量传递给水，通过热传递，使水温增高，冷水不断由进水口9进入，升温后的热水随着出水口6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，智能控制器22控制着旋转盘23以及永磁体21始终追随着太阳的方向转动，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。
46.而现有技术中，
①
部分温升最快，其次是
②
部分，最后是
③
部分；当集热管3的下面装有反射面的时候，
③
部分的温升大于
②
部分，整体呈现出周围温升快，中间温升慢的吸热特点，这样的话，传热时间就会长。本发明更大程度的吸热集传热，提高吸收工质中间部分的传热，很好的解决了现有技术中存在的技术问题。
47.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。