一种磁场调控太阳能集热装置

1.本实用新型属于太阳能热利用领域，具体涉及一种磁场调控优化集热效率的太阳能集热装置。


背景技术：

2.能源是社会发展的物质基础，而可再生能源才更符合可持续发展的战略需求。在所有可再生能源中，太阳能是最为丰富的一种，而且太阳能分布广泛，利用前景广阔，是21世纪最重要的能源之一。太阳能热利用是太阳能利用的最基本方式之一。如何提高集热器的集热效率式太阳能热利用的关键。提高集热效率可以从优化集热器结构以及开发出新型的集热工质两方面入手，传统的平板式和玻璃真空管式集热器都是采用间接集热方式，太阳辐射在通过选择性涂层吸收并转化为热量后，还必须通过涂层涂覆的金属板或玻璃壁的导热才能传递至工作介质，这种间接的吸收过程大大影响了集热器效率的提高。1975年 minardi提出一种直接吸收式太阳能集热器，集热器中的工作流体黑液(3。0g/ l 的印度墨水)直接吸收太阳能，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，有利于减少热损失，提高热效率。目前用于直接吸收式太阳能集热系统的集热介质主要有黑色液体、气—固或液—固悬浮体系等混合物。集热介质是直接吸收式太阳能集热系统的关键，集热介质对太阳辐射吸收性能的好坏决定了整个集热系统的优劣。上述三种集热介质虽然在提高集热器效率方面有较好的效果，但均存在较多的不足，且导热性能不高，目前应用受到了一定的限制。
3.纳米材料技术的不断发展，为太阳能集热材料的优化提供了强有力的支持，由于纳米颗粒的量子效应、小尺寸效应、大比表面积效应以及界面原子排列和键组态的无规则特性使得纳米微粒的光学特性有了较大的变化，具有特殊的光吸收性质。考虑到纳米颗粒优异的光吸收性能和纳米流体(将1~100nm的金属或者非金属粒子悬浮在基液中形成的稳定悬浮液)良好的热输运性能，已有很多研究者提出将纳米流体用作直接吸收式太阳集热器的循环工质，利用纳米流体直接吸收太阳辐射能，以达到提高集热器热效率的目的。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。
4.当纳米流体中的纳米粒子是具有磁性的铁、钴、镍或其氧化物等磁性粒子时，纳米流体就成为了磁性纳米流体。磁性纳米流体是一类比较特殊的纳米流体，具有磁性和流动性的特点。当外加磁场作用时，粒子的分布会发生变化，使得磁性纳米流体的光学性质会发生变化。磁场对于磁性纳米流体的光热特性及辐射特性具有积极影响，在外加不同磁场作用下，可以影响磁性纳米流体的光学透射率,从而影响磁性纳米流体的光吸收性能,另外磁场可以强化磁性纳米流体的对流传热特性。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。
5.温度对纳米流体导热系数也有一定的影响，随着温度的升高，纳米流体导热系数
增大的主要原因有两个，一是纳米流体中水分子的热运动强度增加;第二个更重要的原因是由于纳米流体温度的提高，使得纳米粒子的微运动更加剧烈，粒子相互之间以及粒子与液体分子之间碰撞的频率增加，使得能量传递的速率加快，进而提高了纳米流体导热系数。在较高温度时，整个悬浮液体系热运动慢慢达到热平衡，导热系数的增加也就逐渐变的缓慢。当有外加磁场作用时，磁流体中的纳米颗粒可以被控制、定位、定向和移动，也起到强化传热作用，在有外加磁场时，纳米磁流体在磁场的作用下沿磁力线分布，使得颗粒小范围聚集呈点阵式吸收，同时，在沿着磁场形成快速传递能量的热通道，从而提高的集热和传热效率。
6.不同的颗粒对光热吸收和传导的能力是不同的，单一粒子发挥的作用往往受到的局限，例如：磁性颗粒热吸收能力不强，而吸收能力好的粒子没有磁性，例如：石墨、碳纳米管等。鉴于这种情况，复合我们选用复合材料作为太阳能集热工质的添加材料，既可以实现热吸收、热传导的提高，也可以受到磁场的调控，进一步提高热导率。


技术实现要素：

7.实用新型目的：本实用新型要解决的技术问题是提高太阳能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，直接吸收式集热进一步优化等问题。本实用新型提出一种磁场调控优化集热效率的太阳能集热装置，能够通过外加磁场的调节进一步提高纳米流体有效光热吸收及传热效率。
8.技术方案：
9.本实用新型提供一种磁场调控太阳能集热装置，真空集热管，所述真空集热管外侧面设有相互对称的两个柱形电磁铁，所述真空集热管的圆截面两端分别设有环形电磁铁，所述柱形电磁铁和环形电磁铁连接有电源并通过控制器控制工作，所述真空集热管内添加有复合磁性颗粒的集热工质。
10.进一步的，所述真空集热管内部贯穿有贮水的玻璃管，所述玻璃管上设有进水口和出水口。
11.进一步的，所述进水口和出水口分别位于玻璃管两端，进水口位于一端的下部，出水口位于另一端的上部。这样可以使得玻璃管内的水被全部均匀加热。
12.进一步的，所述柱形电磁铁和环形电磁铁通过固定杆和固定板安装在真空集热管上。所述柱形磁铁通过固定杆固定在固定板的上下端，环形电磁铁固定在固定板的正中央，且玻璃管恰好穿过环形磁铁和固定板的中央。所述支架固定在固定板的下侧，用于支撑整个装置。
13.进一步的，所述玻璃管和真空集热管两端均连接有密封板。玻璃管镶嵌在真空集热管内部，并且通过密封板将玻璃管和真空集热管的两端密封，同时密封板将玻璃管固定在了真空集热管的正中央。进水口和出水口装在玻璃管两端的密封板上。
14.进一步的，所述集热工质为四氧化三铁修饰碳纳米管的复合纳米材料或磁性四氧化三铁/石墨烯复合材料。
15.本实用新型还提供集热工质的制备方法，如四氧化三铁修饰碳纳米管的复合纳米材料，包括如下步骤：1）制备磁性四氧化三铁纳米粒子；2）制备纯净的碳纳米管；3）将得到
所剩的粉末状物质即为纯净的碳纳米管。 将所得的碳纳米管用去离子水洗涤至 ph 值为 7 时止。 最后将洗涤过的碳纳米管放入烘箱中干燥 2h，得到纯净的碳纳米管。
31.将得到的磁性四氧化三铁纳米粒子和纯净的碳纳米管分别放入球磨机中，分别球磨3、1h。称取 80mg 球磨过的多壁碳纳米管加入到 25ml 三甘醇溶液中，超声10min； 接着边用磁力搅拌边加入200mg 已球磨过的磁性 fe3o4 纳米粒子，再将混合溶液放到集热式恒温加热磁力搅拌器内加热至 280℃，并保持 30min，然后自然冷却到室温。用乙醇稀释并用商业磁铁通过磁吸附过程从水溶液中将产物分离出来；最后用乙醇反复清洗并用真空烘箱烘干，即可得到四氧化三铁修饰碳纳米管的复合纳米材料。
32.将得到四氧化三铁修饰碳纳米管的复合纳米材料加入到100ml水中，机械搅拌30min，在60℃的恒温水浴中边搅拌边加入100mg的十二烷基苯磺酸钠，继续搅拌30min，后超声分散10min，即得到复合要求的磁性纳米流体。
33.实施例2 磁性四氧化三铁/石墨烯复合材料
34.称取氧化石墨烯0.403g、无水三氯化铁0.564g、无水乙酸钠1.148g和无水柠檬酸纳0.310g，分散于60ｍｌ乙二醇中，然后将其置入100ｍｌ反应釜中，205℃下反应24ｈ后冷却至室温，磁铁分离得到固相产物，用无水乙醇和去离子水洗去可溶性杂质，100℃下真空干燥，制得磁性四氧化三铁/石墨烯复合材料。
35.将得到的磁性四氧化三铁/石墨烯复合材料称取 1g 放入到100ml水中，机械搅拌30min，在70℃的恒温水浴中边搅拌边加入100mg的十二烷基苯磺酸钠，继续搅拌30min，后超声分散10min，即得到复合要求的磁性纳米流体。
36.实施例3
37.一种磁场调控太阳能集热装置，包括真空集热管2，真空集热管2外侧面设有相互对称的两根柱形电磁铁3，真空集热管2的圆截面连接有环形电磁铁4，柱形电磁铁3和环形电磁铁4连接有电源并通过控制器12控制工作，真空集热管2内添加有复合磁性颗粒的集热工质。真空集热管2内部贯穿有贮水的玻璃管10，所述玻璃管上设有进水口7和出水口8。
38.进水口7和出水口8分别位于玻璃管10两端，进水口7位于一端密封板的下部，出水口8位于另一端密封板的上部。柱形电磁铁3和环形电磁铁4通过固定杆9和固定板1安装在真空集热管2上。柱形磁铁3通过固定杆9固定在固定板1的上下端，环形电磁铁4固定在固定板1的正中央，且玻璃管6恰好穿过环形磁铁4和固定板1的中央。支架5固定在固定板1的下侧，用于支撑整个装置。玻璃管6两端连接有密封板10，集热管的两端也设有密封板11。集热工质为四氧化三铁修饰碳纳米管的复合纳米材料或磁性四氧化三铁/石墨烯复合材料。
39.工作流程一：
40.将制备好的磁性纳米流体放入真空集热管2中，装置按照图1 所示装好后，将装置放在室外阳光照射的地方。然后将冷水从进水口7中进入玻璃管6中，启动控制器12，先是柱形电磁铁2通电后开始工作。真空集热管2中流体内的磁性复合颗粒，由于受到柱形电磁铁3产生的磁场的作用，沿着磁场的方向发生小范围聚集，如图3所示，这种像一把筷子形状的聚集加大了对太阳能的吸收，使得集热工质整体呈现点阵吸收，提高了对太阳能的吸收率。一段时间后，通过控制器12的作用，切断柱形电磁铁3的电路，接通环形电磁铁4的电路，集热工质中的磁性复合颗粒由于受到垂直方向磁场的作用，在基液中重新分布，如图4所示，小尺寸的磁性复合颗粒首尾相连，沿着磁场方向形成热通道，加快了热传导。传热一段时间
后，继续切换，柱形电磁铁3工作，环形电磁铁4断电，又回到了强化吸热的阶段。通过控制器12的作用，使得磁性复合颗粒不断的在强化吸热和强化传热阶段来回转换，在转换的过程中，磁性复合颗粒在不同磁场作用下，在基液中的运动也加速的颗粒与颗粒、颗粒与基液、基液粒子间的彼此碰撞，进一步的提高的了热导率。值得注意的是，即使在强化吸热的阶段，传热也在同时进行，只是更利于吸热而已，同理，在强化传热的时候，吸热也在同时进行，只是更利于传热。这样的来回切换相对于磁场固定的情况下，吸热传热的总体效果更好一点。
41.工作流程二：
42.第二种工作模式与第一种的不同之处在于，先启动环形电磁铁4通电后开始工作，真空集热管2中流 体内的磁性复合颗粒，由于受到环形电磁铁4产生的磁场的作用，沿着磁场的方向发生小范围聚集，如图5所示，这种平铺式的状态最大化的吸收太阳能的光热，使得集热工质整体呈现片状的吸收，提高了对太阳能的吸收率。一段时间后，通过微型智能切换装置12的作用，切断环形电磁铁4的电路，接通柱形电磁铁3的电路，集热工质中的磁性复合颗粒由于受到垂直方向磁场的作用，在基液中重新分布，如图6所示，磁性复合颗粒在沿着磁场方向形成热通道，加快了热传导。传热一段时间后，继续切换，环形电磁铁4工作，柱形电磁铁3断电，又回到了强化吸热的阶段。
43.以上所述仅 为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。