納米材料對太陽能集熱器應用的影響＊

萬 峰 夏 清 姚文杰 陸 地

（長沙理工大學物理與電子科學學院 長沙 410114）

納米材料對太陽能集熱器應用的影響＊

萬 峰 夏 清 姚文杰 陸 地

（長沙理工大學物理與電子科學學院 長沙 410114）

以碳納米管為分散相材料，乙二醇水溶液為分散介質，可制備出用于直接吸收式太陽集熱器的新型吸熱與傳熱循環(huán)工質－碳納米管懸浮吸熱黑液流體。該黑液流體的分散穩(wěn)定性主要受到分散介質的組成、碳納米管粒子的含量、分散劑的屬性和含量、分散方式以及分散時間等因素的影響。分散穩(wěn)定性好的碳納米管黑液流體的對太陽輻射具有全波段強吸收特性，可以提高集熱效率，加入分散劑可使光熱轉化效率提高12%～15%。

納米材料 太陽能集熱器 黑液 分散

社會的發(fā)展對能源的消耗越來越高，開發(fā)和利用清潔能源迫在眉睫。我國有豐富的太陽能資源，目前我國的太陽能熱水器大都采用真空玻璃管為主要元件，太陽輻射首先被選擇性吸收表面吸收，然后再通過熱傳導和對流將能量傳遞至載熱工質（水），它對太陽能的吸收有限，加之太陽能集熱器自身的散熱，時間一長熱水的質量難以保證，太陽能集熱器的老化和結垢等問題就顯得尤為突出。而一種新的太陽能熱水器，即新型納米級懸浮液黑液流體太陽集熱器則利用在透明玻璃管內的黑色工作流體直接吸收太陽能，由于納米材料的高吸收率，使其較傳統(tǒng)的太陽能熱水器的集熱效率要高。筆者就是模擬這種型納米級懸浮液黑液流體，對其穩(wěn)定性和光熱轉化效率進行研究，希望為其在太陽能集熱器上應用提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所用原料見表1。

表1 實驗原料

1.2 實驗儀器和設備

實驗采用錐形瓶、溫度計、KQQ－100b型超聲波清洗器、分析天平、比色管、85－2型恒溫磁力攪拌器、試管架、試管、量筒等儀器和設備。

1.3 實驗過程

將外購的碳納米管提純（該碳納米管是用催化熱裂解法制備所得，其在制備中因催化劑及載體而含有雜質，用硝酸和硫酸混合溶液按3∶1配比，超聲波清洗2h，pH值調至中性，然后離心，干燥待用［3］，將設計好的工藝調制納米級懸浮黑液流體，觀察其分散懸浮情況，即用沉降法評價黑液的穩(wěn)定性。并進行悶曬實驗，然后測定黑液溫度比較吸光效率。實驗流程見圖1。

2 實驗結果與討論

2.1 碳納米管黑液流體集熱器的工作原理

碳納米管黑液流體是由對太陽輻射具有強吸收能力的碳納米管粒子均勻、穩(wěn)定的分散于液相介質中制備而成。新型碳納米管黑液流體太陽集熱器，是利用在透明玻璃管內的黑色工作流體直接吸收太陽輻射，它既是太陽輻射的吸收材料又是太陽集熱器的傳熱工質。圖2為碳納米管黑液流體集熱器和常規(guī)集熱器的傳熱過程。常規(guī)集熱器的最高溫度點出現(xiàn)在吸熱表面，而碳納米管黑液流體集熱器的最高溫度點則出現(xiàn)在碳納米管黑液流體內部，因其透明玻璃管的表面溫度比常規(guī)吸熱板的溫度低，從而有效地降低了集熱器的散熱損失［1～2］。由于碳納米粒子的量子效應以及高的比表面積和表面活性，與傳統(tǒng)黑液相比，它對太陽輻射具有更高的吸收率，而且由于納米顆粒的表觀密度低，在液相介質中具有更好的分散性和流動性。碳納米管黑液流體有更高效的傳熱性能，這是因為與純液體相比，碳納米管黑液流體粒子與粒子、粒子與液體、粒子與壁面間的相互作用及碰撞，破壞了流動底層，降低了傳熱熱阻，增強了流動湍流強度，使傳熱增加。在液體中添加納米粒子，可顯著增大液體的導熱系數(shù)，使傳熱增強；在粒子體積含量相同的情況下，納米粒子遠大于毫米或微米級粒子的數(shù)目和表面積，則碳納米管黑液流體的導熱系數(shù)大于添加了毫米/微米級固體粒子懸浮液的導熱系數(shù)；納米顆粒的小尺寸效應，其行為接近于液體分子，納米粒子強烈的布朗運動有利于其保持穩(wěn)定懸浮而不沉淀，不會出現(xiàn)產(chǎn)生管道磨損或堵塞等不良結果［3～4］。

2.2 碳納米管黑液流體穩(wěn)定性的影響因素

太陽輻射的吸收材料是整個太陽集熱器的核心部分，其吸收效率的高低，直接影響整個集熱器熱效率的高低。新型碳納米管黑液流體太陽集熱器，是利用在透明玻璃管內的黑色工作流體直接吸收太陽能，納米黑液流體因其吸收太陽輻射的能力強，所以可提高集熱效率。實驗發(fā)現(xiàn)分散介質的組成、碳納米管粒子的含量、分散劑的屬性和含量、分散方式以及分散時間等因素都會影響納米粒子黑液流體的分散穩(wěn)定性［5］。研究采用水與乙二醇的混合液。分散劑的組成、聚丙烯酸鈉用量、碳納米管用量、黑液流體分散方式等因素進行了L9（34）正交實驗，結果表明，當分散介質水、乙二醇配比為2∶3、超聲波分散45min、分散劑聚丙烯酸鈉的濃度為1.5g/L、碳納米管加入量為0.1%時，黑液流體的分散穩(wěn)定性較好，即黑液流分散穩(wěn)定性可維持5個月以上（詳見表2）。由水、乙二醇形成的混合液為黑液流體的分散介質，具備在集熱器的工作溫度范圍內處于液相狀態(tài)，密度小、粘度低，比熱容小，導熱系數(shù)大，對常用的太陽能熱水器材料不具有腐蝕性，價格低廉、使用安全?？傊瓤衫诤谝毫鞯膫鳠?，又可利于黑液流的穩(wěn)定性。因超聲波具有極高的能量密度，利用超聲空化時產(chǎn)生的局部高溫、高壓或強沖擊波和微射流［6］等，大幅度的削弱碳納米管間的作用能，從而有效地防止碳納米管團聚而使之充分分散。分散劑加入后，既使顆粒表面產(chǎn)生一定量的表面電荷形成雙電層，通過雙電層之間的排斥力使碳納米管之間的吸引力大幅降低（靜電穩(wěn)定機制），實現(xiàn)碳納米管黑液流體的分散，又可吸附在碳納米管周圍，形成微胞狀態(tài)，使碳納米管之間產(chǎn)生排斥，粒子被屏蔽起來而不發(fā)生絮凝（空間位阻穩(wěn)定機制），從而達到對碳納米管黑液流體分散的目的［7］。

表2 黑液流體分散穩(wěn)定性正交實驗結果

2.3 碳納米管黑體流體光熱轉化效率

取水乙二醇配比為2∶3、碳納米管加入量為0.1%、2種高效分散劑（加入量分別為1.2g/L、1.5g/L、1.8g/L）、超聲波分散45min，分別調制黑液進行悶曬實驗，即將各個黑液流體裝在50ml的比色管中，置于太陽下悶曬，2組實驗測試時溫度不同，都是從中午12～15點每隔30min測定各比色管中黑液流體的溫度，通過溫度的變化來反映黑液流體吸收太陽光（太陽輻射）的能力，結果見表3、表4，都是沒加分散劑的黑液溫度最低，分別為37.5℃和40.0℃；無論是十六烷基三甲基溴化銨，還是聚丙烯酸鈉為分散劑，其加入量為1.5g/L時黑液的溫度最高，分別為41.8℃和43.8℃、42.0℃和44.0℃，與沒有加入分散劑相比光熱轉化效率提高了12%～15%。

表3 光熱轉化效率（測量時溫度為19～28℃）

表4 光熱轉化效率（測量時溫度為25～34℃）

由于納米粒子的量子效應以及高的比表面積和表面活性，與傳統(tǒng)黑液相比，它對太陽輻射具有更高的吸收率，碳納米管是由石墨層卷曲而成的無縫納米級管狀晶體，有直形、彎曲、螺旋等不同外形，其端點有的封閉有的張開，這樣的納米固體顆粒的存在使碳納米管黑液流體對光的作用除了吸收外，對光還有較強的散射作用，固體粒子的散射作用增加了光在液相介質中的光程，因此，通過添加固體粒子可以增強普通液體對光的吸收作用，提高了集熱效率［8］。加入聚丙烯酸鈉等分散劑，可以增強碳納米管黑液流體的分散穩(wěn)定性，提高了吸收太陽輻射的能力，即提高了光熱的轉化效率。

3 結論

1）以碳納米管為分散相材料，乙二醇水溶液為分散介質，可以制備出用于直接吸收式太陽集熱器的新型吸熱與傳熱循環(huán)工質——碳納米管懸浮吸熱黑液流體。該黑液流體的分散穩(wěn)定性主要受到分散介質的組成、碳納米管粒子的含量、分散劑的屬性和含量、分散方式以及分散時間等因素的影響。

2）當水、乙二醇配比為2∶3、超聲波分散45min、分散劑聚丙烯酸鈉及十六烷基三甲基溴化銨等的濃度為1.5g/L、碳納米管加入量為0.1%時黑液流體的分散穩(wěn)定性較好，該黑液流體分散穩(wěn)定性可以維持較長時間，分散穩(wěn)定性好的碳納米管黑液流體對太陽輻射具有全波段強吸收特性，可以提高集熱效率，加入分散劑可使光熱轉化效率提高12%～15%。

1 文明芬，郭忠誠，楊顯萬.新型太陽選擇性吸收涂層的研究.太陽能學報，1998，19（2）：217～219

2 廖偉初.全玻璃真空管黑液太陽能集熱系統(tǒng)的性能研究.廣東工業(yè)大學材料與能源學院，2009

3 Bando Y，Nishimura M，Kuraishi M，et a1.Effect of thermal and optical properties of transparent plates on the collection characteristics of volume heat solar transfer trap tollectors.Heat Japanese Research，1989，18（2）：54，457

4 毛凌波，張仁元，柯秀芳，等.直接吸收式太陽能集熱系統(tǒng)研究綜述.材料導報，2007，21（12）：12～15

5 竇文齡，辛霞，徐桂英.兩親分子對碳納米管的分散穩(wěn)定作用.物理化學學報，2009（2）：382～388

6 朱正吼，宋暉，胡偉.超細軟磁粉體在介質中超聲波分散工藝.兵器材料科學與工程，2006（3）：41～45

7 章莉娟，鄭忠.膠體與界面化學（第二版）廣州：華南理工大學出版社，2006

8 周樂平，王補宣.準穩(wěn)態(tài)法測量納米顆粒懸浮液的熱物性.工程熱物理學報，2003，24（6）：1 037～1 039

Effect of Nano－Materials on Application of Solar Collector

Wan Feng，Xia Qing，Yao Wenjie，Lu Di（College of Physics and Electronic Science，Changsha University of Science ＆ Technology，Changsha，410114）

In this paper，a concept of direct absorption type aqueous suspension containing multi－walled carbon nanotubes（MWNTs）solar collector is proposed.Nanofluid refers to a new kind of recycle fluid for solar collectors，which collect and transport solar energy by suspending MWNTs in base fluid.The results show that some factors affect the stability and evenness of MWNTs nanofluid，such as the property of nano－particles，the property and contents of dispersants，disperse means and disperse time.The prepared MWNTs nanofluid suspensions have a good photo－thermal stability.Because of the excellent photo－thermal properties and flow performances，MWNTs nanofluid is used as recycle fluid for direct absorption type for MWNTs which could improve the thermal efficiency greatly.Adding a dispersant allows thermal conversion efficiency of 12%to 15%.MWNTs nanofluid provides a new idea for the development of solar water heater collectors.

Nanomaterials；Solar collector；Black liquid；Dispersion

TB32

A

1002－2872－（2011）06－0016－03

湖南省第二批大學生研究性學習和創(chuàng)新性試驗計劃項目。（編號：2009－106），湖南省重點學科預備學科長沙理工大學重點學科（材料學學科）建設項目資助。

夏清（1966－），本科，副教授；主要從事天機材料工藝及材料綠色化研究。E－mail：qingxia701@sina.com