论文摘要
太阳能热水集热器是目前可再生能源利用中唯一可与常规化石能源竞争的清洁能源利用装置，性能优良的集热器是太阳能热利用系统的关键。太阳集热器的性能主要由其集热效率来衡量，要提高集热器的效率，总的原则应该是，在保持最大限度地吸收太阳能的同时，尽可能减小其热损失。本文率先提出了直接吸收式纳米黑液太阳热水集热器的概念。所谓纳米黑液，就是以一定的方式和比例在液相介质中添加黑色纳米粒子，形成一类新的太阳集热器的吸热与传热循环工质。纳米黑液太阳热水集热器利用纳米黑液直接吸收太阳辐射，因此，集热器的最高温度点出现在纳米黑液内部，有效的降低了集热器的散热损失。为了制备适合用于直接吸收式太阳集热器的纳米黑液，本文通过将纳米颗粒与体积比为1：1的乙二醇水溶液直接混合，综合采用添加分散剂、超声波振荡、球磨等方法，改变纳米颗粒的表面性质，获得了炭黑、铜、碳包铜等几类分散稳定的纳米黑液。实验结果表明，纳米黑液的分散稳定性主要受到纳米颗粒的属性、分散剂的属性和含量、分散方式以及分散时间等因素的影响。所制备的纳米黑液分散体系具有很好的光热稳定性，而且对304不锈钢和硅橡胶等常用太阳能热水器材料不具有腐蚀性，对黄铜仅有轻微的表面脱锌腐蚀。通过对纳米黑液的导热系数、粘度和比热容等热物性的测试，结合对纳米颗粒的特殊物化行为的理论分析，深入地研究了纳米黑液这类新型集热器循环工质的热物性与纳米粒子属性和含量、分散剂的属性和含量、温度以及悬浮稳定性之间的联系。研究结果表明，纳米黑液的导热系数和粘度随纳米粒子和分散剂的含量的增大而增大，但对于不同类型的纳米粒子和分散剂，导热系数和粘度增大的比例不同。此外，温度也是影响纳米黑液粘度的一个重要因素。由于纳米黑液中纳米粒子的量子效应和布朗运动，传统的计算固—液两相混合物导热系数和粘度的理论模型已不能真实反映纳米黑液的能量传递过程和流变行为。综合考虑纳米粒子的尺寸因素以及纳米黑液的溶剂化效应和电粘滞效应的影响后，可以得出纳米黑液粘度的修正式为：μeff=μf{1+2.5（1+△r/r）3[1+1/Lμfr2（εζ/2π）2]φ}（1+350φ/r）。纳米黑液的比热容随纳米粒子和分散剂含量的增大而减小，减小的幅度因纳米粒子和分散剂的种类而异。温度对比热容的影响很小。由于纳米黑液的微观效应，纳米黑液的比热容不能用混合物比热容的加和原理进行计算。纳米黑液中纳米粒子表面振动的加强和固—液界面自由能状态的改变是导致纳米黑液的比热容不同于常规固—液混合物的比热容的主要原因。由于纳米颗粒的吸收和散射的共同作用，纳米黑液对太阳辐射具有全波段强吸收的特性。闷晒实验结果表明，纳米黑液的光热转换性能要明显好于没有添加纳米粒子的乙二醇水溶液和常规黑漆吸收涂层。碳包铜纳米黑液由于具有高的传热系数和低的比热容，因此非常适合用作太阳集热器的吸热与传热循环工质。本文参照国标“GB／T4271—2000《平板型太阳集热器热性能试验方法》”对自行研制的纳米黑液太阳热水集热器的集热效率进行了测试。实验结果表明，直接吸收式的纳米黑液太阳热水集热器显著提高了集热效率，实验中的最高瞬时集热效率可达74．688％，比传统平板型集热器的瞬时效率提高了近10％，显示出了极好的热性能。由于纳米黑液优异的光热转换性能和流动性能，可以预料，将纳米黑液用作直接吸收式太阳热水集热器的循环工质，将大大提高集热器的集热效率。纳米黑液的提出为太阳热水集热器的发展提供了新方向，研究结果显示了纳米黑液在太阳能低温热利用领域具有广阔的应用前景和潜在的巨大经济价值。