一种电场下太阳能纳米流体集热装置

本发明涉及太阳能利用设备，更具体地说，本发明涉及一种电场下太阳能纳米流体集热装置。

背景技术：

1、当前世界能源使用结构仍然是以传统化石能源为主，产生较高的二氧化碳排放量，严重破环了自然界的碳循环平衡，为了应对气候变化和保护环境，迫切需要减少对化石能源的依赖，开发利用可再生能源则成为建设清洁高效的能源供应体系和实现低碳转型的必然要求。太阳能作为新型可再生能源，被公认为世界未来的主要能源之一。

2、随着研究人员对太阳能的转换、收集、储存等方面的不断探索，太阳能相关利用技术得到了迅猛发展，集中表现为太阳能热利用技术、太阳能光伏发电技术以及太阳能化学反应，而光热转换是将吸收的太阳能转换为热能，是最简单、最直接的能量转换形式，可广泛应用于太阳能集热器、太阳能空调和光热催化等领域。

3、将低品位的太阳辐射能转换为高品位的热能，加以利用，太阳能集热器是实现这一能量转换过程的核心部件。伴随太阳能热利用技术的日趋成熟，太阳能集热器的相关研究也将不断深入。在传统的表面吸收式集热器中，太阳辐射通常被特殊的选择性涂层表面吸收，然后通过传导和对流传递到工作流体中，由于表面与工作流体之间的热阻，集热器表面的温度远大于工作流体的温度。当表面温度较高时,高温表面向周围环境的辐射热损失逐渐增强，导致光热转换效率降低，由此发展出了直接吸收式太阳能集热器(dasc)，由工作流体直接吸收太阳光。而研究提升集热器性能的技术途径和其发展动向，为后续更好的研究太阳能集热技术、提高太阳能热利用效率是目前的发展方向。

4、传统工质(水、乙二醇、甲醇、油)的光热转换效率低、传热能力差等因素仍然制约着dasc的发展。因此，将dasc与纳米流体相结合，以得到更好的光学吸收性能和光热转换效率。纳米流体具有良好的宽带光吸收特性和优异的光热转换性能，是直接吸收式太阳能集热器中的理想工作流体。

5、与传统的表面吸收式集热器相比，基于纳米流体的直接吸收式太阳能集热器(dasc)具有更优异的光学吸收性能和光热转换效率。但同时也存在纳米颗粒沉积所导致的系统运行不稳定和集热器顶部与底部温差大而引起的热损失较高等技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述技术存在的缺陷，通过将电场应用于直接吸收式太阳能集热器(dasc)系统，利用电场控制纳米颗粒的运动，使沉积的纳米颗粒再悬浮，从而重新具有吸收太阳辐射和进行光热转换的能力，同时，电场作用下集热器底部与顶部的纳米流体进行了换热，从而减小集热器内部温差，降低高温表面的辐射热损失，提高系统的光热转换性能。

2、本发明采用以下技术方案来实现上述目的：

3、一种电场下太阳能纳米流体集热装置，所述集热装置包括真空集热管，所述真空集热管包括内管和外管，所述内管和外管之间间隙为真空状态，所述外管外壁由零电势电极和若干个高电势电极组成，若干个所述高电势电极为阵列式分布。所述高电势电极与零电势电极之间产生电场，利用电场控制纳米颗粒运动，使沉积的纳米颗粒重新悬浮到基液中，令表层温度降低和纳米颗粒在工质内部传递热量，使得有更多的纳米颗粒能参与光热转换，从而增加悬浮纳米流体浓度的效果，进而提高系统的光热转换效率，并令沉积的纳米颗粒重新具有吸收太阳辐射并进行光热转换的能力。高电势电极与零电势电极之间产生电场强化纳米流体的内部传热，使热量从温度较高的上层纳米流体传递到温度较低的下层纳米流体，使表层温度降低，减小高温表面的辐射热损失。

4、优选地，所述外管外壁套设有若干个集热管套筒，每个所述集热管套筒的下端设置有集热管支架，所述集热管支架的下端设置有聚光器，所述聚光器为半弧形结构。

5、优选地，所述聚光器两端分别设置有三角支架支撑。从而支撑聚光器关好的吸收太阳能，反射到真空集热管上。

6、优选地，所述聚光器为菲涅尔透镜、反射式聚光器、折射式聚光器、热光伏聚光器、荧光聚光器和全息聚光器的任意一种。

7、优选地，所述零电势电极的端部通过导线接地，所述高电势电极通过导线连接高压电源的高压输出端，使零电势电极和高电势电极之间产生电场。电极可以形成均匀的电场或非均匀电场，可根据需要改变电压的的大小和方向调节电场，以调节电场系统的作用效果。

8、优选地，所述零电势电极和高电势电极均为导电材料，所述零电势电极的材料为铜、不锈钢、泡沫镍、泡沫铜的任意一种，所述高电势电极为铜、不锈钢、铝的任意一种。

9、优选地，所述零电势电极和高电势电极的表面均包覆pe绝缘材料，所述零电势电极和高电势电极包括线电极，网状电极，针状电极，平板电极的任意一种。

10、优选地，所述真空集热管的内管内部流经纳米流体，所述纳米流体包括基液和纳米颗粒。

11、优选地，所述基液为导热油、水、乙二醇、甲醇的任意一种，所述纳米颗粒为金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒、碳化物纳米颗粒、氮化物纳米颗粒的任意一种。

12、优选地，所述导热油为矿物油、硅油、聚合物油、氟化物油、高温液体金属的任意一种，所述金属纳米颗粒为au、ag、cu、fe的任意一种，所述金属氧化物纳米颗粒cuo、al2o3的任意一种，所述碳化物纳米颗粒为石墨烯、碳纳米管的任意一种或两种，所述氮化物纳米颗粒为氮化钛。

13、本发明将纳米流体流经集热管，吸收太阳光能转化为热能，集热管外管附加电场，将电场应用于太阳能集热器当中，利用电场控制纳米颗粒运动，使沉积的纳米颗粒重新悬浮到基液中，使其重新具有吸收太阳辐射并进行光热转换的能力。

14、同时，电场的使用强化了纳米流体的内部传热，使热量从温度较高的上层纳米流体传递到温度较低的下层纳米流体，使表层温度降低，减小了高温表面的辐射热损失。表层温度的降低和纳米颗粒在工质内部的热量传递，使得有更多的纳米颗粒能参与光热转换，起到增加悬浮纳米流体浓度的效果，进而提高系统的光热转换效率。

15、采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

16、1.本发明的真空集热管的外壁设置零电势电极和高电势电极，并使零电势电极和高电势电极之间产生电场，解决现有的直接吸收式太阳能集热器(dasc)存在纳米颗粒沉积所导致的系统运行不稳定和集热器顶部与底部温差大而引起的热损失较高的技术问题，通过在纳米流体外附加电场，提升纳米流体的吸热量和光转换效率，而且不局限纳米流体的类型。

17、2.本发明将电场应用于太阳能集热器当中，利用电场控制纳米颗粒运动，使沉积的纳米颗粒重新悬浮到基液中，令沉积的纳米颗粒重新具有吸收太阳辐射并进行光热转换的能力。零电势电极和高电势电极形成的电场的使用强化了纳米流体的内部传热，使热量从温度较高的上层纳米流体传递到温度较低的下层纳米流体，使表层温度降低，减小了高温表面的辐射热损失。

18、3、本发明通过聚光器使热量反射到真空集热管上，增强热量辐射强度，增加热量转换效率，结合电场的作用使表层温度降低和纳米颗粒在工质内部的热量传递，让更多的纳米颗粒能参与光热转换，起到增加悬浮纳米流体浓度的效果，进而提高系统的光热转换效率。

19、4、本发明通过电场的应用，大幅度提升了太阳能纳米流体集热器的吸热量和光热转换效率，只需将原有系统外部加上电极以附加电场，硬件设施上无需大幅修改，改造投资非常低，而集热效率大幅度提高。