太陽能吸收與熱輸運(yùn)納米黑液材料的制備與性能研究.pdf

1、太陽能熱水集熱器是目前可再生能源利用中唯一可與常規(guī)化石能源競(jìng)爭(zhēng)的清潔能源利用裝置，性能優(yōu)良的集熱器是太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵。太陽集熱器的性能主要由其集熱效率來衡量，要提高集熱器的效率，總的原則應(yīng)該是，在保持最大限度地吸收太陽能的同時(shí)，盡可能減小其熱損失。 本文率先提出了直接吸收式納米黑液太陽熱水集熱器的概念。所謂納米黑液，就是以一定的方式和比例在液相介質(zhì)中添加黑色納米粒子，形成一類新的太陽集熱器的吸熱與傳熱循環(huán)工質(zhì)。納米黑液太陽

2、熱水集熱器利用納米黑液直接吸收太陽輻射，因此，集熱器的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在納米黑液內(nèi)部，有效的降低了集熱器的散熱損失。 為了制備適合用于直接吸收式太陽集熱器的納米黑液，本文通過將納米顆粒與體積比為1:1的乙二醇水溶液直接混合，綜合采用添加分散劑、超聲波振蕩、球磨等方法，改變納米顆粒的表面性質(zhì)，獲得了炭黑、銅、碳包銅等幾類分散穩(wěn)定的納米黑液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米黑液的分散穩(wěn)定性主要受到納米顆粒的屬性、分散劑的屬性和含量、分散方式以及分散

3、時(shí)間等因素的影響。所制備的納米黑液分散體系具有很好的光熱穩(wěn)定性，而且對(duì)304不銹鋼和硅橡膠等常用太陽能熱水器材料不具有腐蝕性，對(duì)黃銅僅有輕微的表面脫鋅腐蝕。 通過對(duì)納米黑液的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度和比熱容等熱物性的測(cè)試，結(jié)合對(duì)納米顆粒的特殊物化行為的理論分析，深入地研究了納米黑液這類新型集熱器循環(huán)工質(zhì)的熱物性與納米粒子屬性和含量、分散劑的屬性和含量、溫度以及懸浮穩(wěn)定性之間的聯(lián)系。研究結(jié)果表明，納米黑液的導(dǎo)熱系數(shù)和粘度隨納米粒子和分散劑的

4、含量的增大而增大，但對(duì)于不同類型的納米粒子和分散劑，導(dǎo)熱系數(shù)和粘度增大的比例不同。此外，溫度也是影響納米黑液粘度的一個(gè)重要因素。由于納米黑液中納米粒子的量子效應(yīng)和布朗運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的計(jì)算固一液兩相混合物導(dǎo)熱系數(shù)和粘度的理論模型已不能真實(shí)反映納米黑液的能量傳遞過程和流變行為。綜合考慮納米粒子的尺寸因素以及納米黑液的溶劑化效應(yīng)和電粘滯效應(yīng)的影響后，可以得出納米黑液粘度的修正式為：納米黑液的比熱容隨納米粒子和分散劑含量的增大而減小，減小的幅度因納

5、米粒子和分散劑的種類而異。溫度對(duì)比熱容的影響很小。 由于納米黑液的微觀效應(yīng)，納米黑液的比熱容不能用混合物比熱容的加和原理進(jìn)行計(jì)算。納米黑液中納米粒子表面振動(dòng)的加強(qiáng)和固一液界面自由能狀態(tài)的改變是導(dǎo)致納米黑液的比熱容不同于常規(guī)固一液混合物的比熱容的主要原因。由于納米顆粒的吸收和散射的共同作用，納米黑液對(duì)太陽輻射具有全波段強(qiáng)吸收的特性。悶曬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米黑液的光熱轉(zhuǎn)換性能要明顯好于沒有添加納米粒子的乙二醇水溶液和常規(guī)黑漆吸收涂層。

6、碳包銅納米黑液由于具有高的傳熱系數(shù)和低的比熱容，因此非常適合用作太陽集熱器的吸熱與傳熱循環(huán)工質(zhì)。 本文參照國標(biāo)"GB/T4271-2000《平板型太陽集熱器熱性能試驗(yàn)方法》”對(duì)自行研制的納米黑液太陽熱水集熱器的集熱效率進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直接吸收式的納米黑液太陽熱水集熱器顯著提高了集熱效率，實(shí)驗(yàn)中的最高瞬時(shí)集熱效率可達(dá)74.688％，比傳統(tǒng)平板型集熱器的瞬時(shí)效率提高了近10％，顯示出了極好的熱性能。 由于納米黑液優(yōu)