本发明涉及太阳能光热利用，尤其涉及一种青蛙卵仿生集热介质，属于太阳能光热利用领域。
背景技术：
近年来，化石燃料的过度使用给地球的能源和环境带来了巨大的压力。太阳能作为一种绿色的、无限的能源，逐渐进入人们的视野。太阳能利用主要分为光伏(pv)以及光热(pt)两大类。目前，光伏利用更为广泛，技术相对成熟。但在光伏利用的过程中，依然会给环境带来一定的污染，并且能耗较高，光能利用率较低。相比之下，光热利用是绿色无污染的过程，其采用的基本是物理变化来进行光能对热能的转换。光热利用过程是利用集热介质将太阳辐射的能量吸收，然后将太阳能转化为热能加以利用。集热介质在太阳能光热利用中起着很重要的作用。但集热介质的集热和储热能力不高，制约着光热利用的发展。
为了提高光热利用效率，一些学者探索出一些新型的集热介质。上世纪90年代中期，美国argonne国家实验室的chio等提出纳米流体概念，即把纳米级的金属或非金属粉体分散到水、醇、油等基液中，制备成均匀、稳定的悬浮液体系。研究发现，将纳米流体应用于太阳能光热利用领域作为集热介质，可以大幅提升集热介质的热导率，从而提高光热转换效率。然而，纳米流体存在显著缺陷，其稳定性欠佳，在重力作用下悬浮液中颗粒易沉降、集聚，长期使用会严重影响集热效率。加之纳米流体的制备较为复杂，所需成本较高，因此，纳米流体并没有大规模应用在日常生活当中。
公开号为cn106941972a的专利《一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置》，提出将中华墨墨汁开发为太阳能光热利用的高效纳米流体，通过光子晶体反射板分光作用实现种植与集热于一体，采用中华墨墨汁提高吸热效率并降低成本，单元组合转子动态系统提高了光热利用效率，实现太阳能高效利用。但该专利中的中华墨作为集热介质仍有沉淀现象发生，且中华墨存在杂质成分，对光热转换效率有一定的影响。
仿生学是一门古老而又年轻的科学。人们研究生物体的结构和功能工作的原理，并根据这些原理发明出新的设备、工具和科技，创造出适用于生产、学习和生活的先进技术。青蛙卵内层是卵，外层为透明的胶质膜，对内部的卵起保护作用，同时其透明的状态也可以吸收太阳辐射，在卵孵化时提升温度，加快其孵化的速度。
技术实现要素：
本发明提出一种青蛙卵仿生集热介质及其制造方法，提出将太阳能吸热材料包覆在膜内形成青蛙卵状，在青蛙卵状集热介质应用在太阳能光热利用装置的基液中，青蛙卵状集热介质悬浮在基液中防止太阳能吸热材料的团聚和沉降，例如将tpu、炭黑等材料制成具有青蛙卵形态结构的太阳能光热利用的高效集热介质，外层膜为热塑性弹性体tpu，对整个集热介质起稳定和保护作用；集热内核由纳米炭黑、分散液组成，其中炭黑是吸收太阳能的主要成分，分散液可以选择与基液相同，为了使青蛙卵状集热介质自由悬浮在基液中，分散液可以选择使得制成的青蛙卵状集热介质的密度与基液密度相近的液体；分散液中可以添加相变储热材料，相变储热材料可以在吸热到一定温度时发生相变，在相变点近似等温储热放热，提高集热效率。
为实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种青蛙卵仿生集热介质，由外模和内核组成，外模包覆在内核外。外膜由不溶于基液的透明材料薄膜制成，外膜也不溶于内核材料，例如可以选择tpu材料，tpu全称为热塑性聚氨酯弹性体，主要有聚酯型和聚醚性之分，它硬度范围宽(60ha-85hd)、耐磨、耐油、透明、弹性好，在很多领域得到广泛的使用，其密度为1.21g/cm3，比水略大，其熔点为170摄氏度。tpu在浑浊下耐水性能是良好的，1-2年内不会发生明显水解，尤其以聚醚系列更佳。用聚醚型tpu材料作为热介质的外膜，用以包裹内核，起稳定保护作用，其透明状态可以使太阳光透过。内核主要由吸热材料和分散液组成，吸热材料选用纳米级炭黑，纳米炭黑粉末为黑色，其粒径可达到50nm，可以有效地吸收太阳辐射，炭黑粒径越细小，光吸收能力越高。由于炭黑在水溶液中没有自分散性，而且炭黑的粒径为纳米级，具有极大的比表面积和极高的表面自由能，所以炭黑粒子间极易产生极强的聚集力而形成团聚体，从而不利于其在水性体系中的分散。由此可知，要得到分散均匀稳定的纳米炭黑悬浮液，必须采取一定的分散手段。本发明将纳米炭黑包裹在弹性体颗粒中间形成类似青蛙卵状颗粒，在后续的应用中可以在一定程度上抑制团聚现象。
本发明一种青蛙卵仿生集热介质，分散液中可以添加相变材料，利用材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，是缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式，相变储热技术的核心是相变材料，又称潜热储能材料，是在相变过程中可吸收或释放能量的储热材料，其吸收或释放的热量称为相变焓或焓变。相变过程的发生仅取决于温度，可广泛应用于热量储存和温度控制领域。在集热介质中加入固液相变材料，例如油脂，油脂的相变点为37摄氏度。可以将需要加热的流体温度控制在相变材料的相变点附近，并且相变材料达到相变点后基本不再升温，而是将继续吸收的热量差储存起来，用于集热介质无法吸热时继续给流体加热，使能量得到充分利用，减少浪费，提高效率。相变材料可以根据应用场合选取。
本发明一种青蛙卵仿生集热介质的制造方法，按照比例称取吸热材料和分散液，将吸热材料与分散液充分混合得到均匀的混合液，将外膜材料制成包覆在混合液外的外膜，混合液作为内核包覆在外膜内形成青蛙卵状的颗粒。
本发明一种青蛙卵仿生集热介质的制造方法，选用纳米炭黑粉末作为吸热材料，油脂作为相变储热材料，无水乙醇作为分散液。取少量炭黑和油脂，加入到无水乙醇中然后搅拌均匀，使炭黑和油脂在无水乙醇中分散。将tpu颗粒加热至160摄氏度左右，使其发生轻微的融化。用细针管取配置好的悬浮液，将其注入融化的tpu颗粒中，然后将注好的小颗粒冷却至室温，使其变为固态弹性体，即可形成青蛙卵状的结构。整个青蛙卵仿生集热介质的密度约为1g/cm3，与水基液的密度近似相等，以利于整个介质能在基液水中均匀分布。
由于注射法操作条件相对苛刻，无法进行工业化大批量生产，于是提出一种利用模具进行工业化大批量生产的方法。首先设计一种多模腔模具，每个模腔形状大小相同，每个模腔在模具上每行每列均匀整齐排列。以tpu为原料制成tpu膜，裁剪一块大于模具的横截面的tpu膜；取一张tpu膜，将其覆盖在模具的横截面上，同时将模腔上方的膜压入模腔中。用混合分散均匀的加有炭黑和油脂的无水乙醇悬浮液均匀喷洒在被tpu膜覆盖的模具上，等到悬浮液充满每一个被膜覆盖的模腔后，用第二张tpu膜覆盖在喷洒悬浮液的一侧，构成两张膜中间夹有悬浮液的层次结构。利用机械方法，将两张膜压实紧密。沿着相邻模腔间的分界线，对压实后的膜进行切割，即可得到颗粒状的青蛙卵集热介质。可以将青蛙卵仿生集热介质的密度控制约为1g/cm3，与水的密度近似相等，以利于整个介质能在水中均匀分布。
本发明一种青蛙卵仿生集热介质及其制造方法，其优点和作用为：
(1)结构新颖；利用仿生学原理，将集热介质设计为具有青蛙卵结构的新型集热介质，可以保护吸热传热组分。
(2)提高光热利用效率。青蛙卵结构可以对纳米炭黑起一定的保护作用，使其不容易发生聚集结块等现象。同时加入相变储热材料，可以有效对吸收来的太阳能进行储存再利用，大大提高光热利用率。
(3)节约成本。该集热介质所使用的材料成本低廉。
附图说明
图1是本发明一种青蛙卵仿生集热介质的结构示意图。
图中：1-外膜，2-吸热材料，3-相变储热材料，4-分散液。
具体实施方式
如图1所示，本发明涉及一种青蛙卵仿生集热介质，由外模1和内核组成。外膜1可以由tpu膜材料构成，用以包裹内核，起稳定保护作用。其透明状态可以使太阳光透过。
本发明涉及一种青蛙卵仿生集热介质，青蛙卵集热介质的内核主要由吸热材料2、分散液4组成。吸热材料2选用纳米炭黑，纳米炭黑粉末为黑色，可以有效地吸收太阳辐射，炭黑粒径越细小，光吸收能力越高。
同时在集热介质的分散液4中加入相变材料3，例如油脂等，可以将需要加热的流体温度控制在相变材料3的相变点附近，并且相变材料3达到相变点后基本不再升温，而是将继续吸收的热量储存起来，用于解热介质无法吸热时继续给流体加热，是能量得到充分利用，减少浪费，提高效率。
本发明涉及一种青蛙卵仿生集热介质的制造方法，选用纳米炭黑粉末作为吸热材料2，油脂作为相变储热材料3，无水乙醇作为分散液4。按照应用场合的比例要求称取炭黑和油脂，加入到无水乙醇中然后搅拌均匀，使炭黑和油脂在无水乙醇中分散。将分散均匀的混合液包覆在tpu膜中形成颗粒，将tpu颗粒1加热至160摄氏度左右，使其发生轻微的融化。用细针管取配置好的悬浮液，将其注入融化的tpu颗粒1中，然后将注好的小颗粒冷却至室温，使其变为固态弹性体，即可形成青蛙卵状的结构。整个青蛙卵仿生集热介质的密度约为1g/cm3,和水的密度近似相等，以利于整个介质能在水中均匀分布。
由于注射法操作条件相对苛刻，无法进行工业化大批量生产，于是提出一种利用模具进行工业化大批量生产的方法。首先设计制造一种多模腔模具，每个模腔形状大小相同，模腔形状大小可根据应用要求确定。每个模腔在模具上每行每列均匀整齐排列，相邻模腔间距一段距离，从而一个模具上存在多个排列整齐的正方体模腔；以tpu为原料，制成外膜1，外膜1的厚度尽量薄，即具有足够的强度又减少对吸热的干扰阻挡，外膜1的平面尺寸需要大于模具的横截面的大小；取炭黑和油脂，以一定比例加入到无水乙醇中，使其分散均匀。取一张外膜1，将其覆盖在模具的横截面上，同时将模腔上方的膜压入模腔中。用混合分散均匀的加有炭黑和油脂的无水乙醇悬浮液均匀喷洒在被tpu膜覆盖的模具上，等到悬浮液充满每一个被膜覆盖的模腔后，用第二张tpu膜覆盖在喷洒悬浮液的一侧，构成两张膜中间夹有悬浮液的层次结构。利用机械方法，将两张膜压实紧密。沿着相邻模腔间的分界线，对压实后的膜进行切割，即可得到颗粒状的青蛙卵集热介质。整个青蛙卵仿生集热介质的密度约为1g/cm3，与水的密度近似相等，以利于整个介质能在后续应用的水基液中均匀分布。