纳米材料对太阳能集热器应用的影响＊

万 峰 夏 清 姚文杰 陆 地

（长沙理工大学物理与电子科学学院 长沙 410114）

纳米材料对太阳能集热器应用的影响＊

万 峰 夏 清 姚文杰 陆 地

（长沙理工大学物理与电子科学学院 长沙 410114）

以碳纳米管为分散相材料，乙二醇水溶液为分散介质，可制备出用于直接吸收式太阳集热器的新型吸热与传热循环工质－碳纳米管悬浮吸热黑液流体。该黑液流体的分散稳定性主要受到分散介质的组成、碳纳米管粒子的含量、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。分散稳定性好的碳纳米管黑液流体的对太阳辐射具有全波段强吸收特性，可以提高集热效率，加入分散剂可使光热转化效率提高12%～15%。

纳米材料 太阳能集热器 黑液 分散

社会的发展对能源的消耗越来越高，开发和利用清洁能源迫在眉睫。我国有丰富的太阳能资源，目前我国的太阳能热水器大都采用真空玻璃管为主要元件，太阳辐射首先被选择性吸收表面吸收，然后再通过热传导和对流将能量传递至载热工质（水），它对太阳能的吸收有限，加之太阳能集热器自身的散热，时间一长热水的质量难以保证，太阳能集热器的老化和结垢等问题就显得尤为突出。而一种新的太阳能热水器，即新型纳米级悬浮液黑液流体太阳集热器则利用在透明玻璃管内的黑色工作流体直接吸收太阳能，由于纳米材料的高吸收率，使其较传统的太阳能热水器的集热效率要高。笔者就是模拟这种型纳米级悬浮液黑液流体，对其稳定性和光热转化效率进行研究，希望为其在太阳能集热器上应用提供依据。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所用原料见表1。

表1 实验原料

1.2 实验仪器和设备

实验采用锥形瓶、温度计、KQQ－100b型超声波清洗器、分析天平、比色管、85－2型恒温磁力搅拌器、试管架、试管、量筒等仪器和设备。

1.3 实验过程

将外购的碳纳米管提纯（该碳纳米管是用催化热裂解法制备所得，其在制备中因催化剂及载体而含有杂质，用硝酸和硫酸混合溶液按3∶1配比，超声波清洗2h，pH值调至中性，然后离心，干燥待用［3］，将设计好的工艺调制纳米级悬浮黑液流体，观察其分散悬浮情况，即用沉降法评价黑液的稳定性。并进行闷晒实验，然后测定黑液温度比较吸光效率。实验流程见图1。

2 实验结果与讨论

2.1 碳纳米管黑液流体集热器的工作原理

碳纳米管黑液流体是由对太阳辐射具有强吸收能力的碳纳米管粒子均匀、稳定的分散于液相介质中制备而成。新型碳纳米管黑液流体太阳集热器，是利用在透明玻璃管内的黑色工作流体直接吸收太阳辐射，它既是太阳辐射的吸收材料又是太阳集热器的传热工质。图2为碳纳米管黑液流体集热器和常规集热器的传热过程。常规集热器的最高温度点出现在吸热表面，而碳纳米管黑液流体集热器的最高温度点则出现在碳纳米管黑液流体内部，因其透明玻璃管的表面温度比常规吸热板的温度低，从而有效地降低了集热器的散热损失［1～2］。由于碳纳米粒子的量子效应以及高的比表面积和表面活性，与传统黑液相比，它对太阳辐射具有更高的吸收率，而且由于纳米颗粒的表观密度低，在液相介质中具有更好的分散性和流动性。碳纳米管黑液流体有更高效的传热性能，这是因为与纯液体相比，碳纳米管黑液流体粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，破坏了流动底层，降低了传热热阻，增强了流动湍流强度，使传热增加。在液体中添加纳米粒子，可显著增大液体的导热系数，使传热增强；在粒子体积含量相同的情况下，纳米粒子远大于毫米或微米级粒子的数目和表面积，则碳纳米管黑液流体的导热系数大于添加了毫米/微米级固体粒子悬浮液的导热系数；纳米颗粒的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，纳米粒子强烈的布朗运动有利于其保持稳定悬浮而不沉淀，不会出现产生管道磨损或堵塞等不良结果［3～4］。

2.2 碳纳米管黑液流体稳定性的影响因素

太阳辐射的吸收材料是整个太阳集热器的核心部分，其吸收效率的高低，直接影响整个集热器热效率的高低。新型碳纳米管黑液流体太阳集热器，是利用在透明玻璃管内的黑色工作流体直接吸收太阳能，纳米黑液流体因其吸收太阳辐射的能力强，所以可提高集热效率。实验发现分散介质的组成、碳纳米管粒子的含量、分散剂的属性和含量、分散方式以及分散时间等因素都会影响纳米粒子黑液流体的分散稳定性［5］。研究采用水与乙二醇的混合液。分散剂的组成、聚丙烯酸钠用量、碳纳米管用量、黑液流体分散方式等因素进行了L9（34）正交实验，结果表明，当分散介质水、乙二醇配比为2∶3、超声波分散45min、分散剂聚丙烯酸钠的浓度为1.5g/L、碳纳米管加入量为0.1%时，黑液流体的分散稳定性较好，即黑液流分散稳定性可维持5个月以上（详见表2）。由水、乙二醇形成的混合液为黑液流体的分散介质，具备在集热器的工作温度范围内处于液相状态，密度小、粘度低，比热容小，导热系数大，对常用的太阳能热水器材料不具有腐蚀性，价格低廉、使用安全。总之，既可利于黑液流的传热，又可利于黑液流的稳定性。因超声波具有极高的能量密度，利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流［6］等，大幅度的削弱碳纳米管间的作用能，从而有效地防止碳纳米管团聚而使之充分分散。分散剂加入后，既使颗粒表面产生一定量的表面电荷形成双电层，通过双电层之间的排斥力使碳纳米管之间的吸引力大幅降低（静电稳定机制），实现碳纳米管黑液流体的分散，又可吸附在碳纳米管周围，形成微胞状态，使碳纳米管之间产生排斥，粒子被屏蔽起来而不发生絮凝（空间位阻稳定机制），从而达到对碳纳米管黑液流体分散的目的［7］。

表2 黑液流体分散稳定性正交实验结果

2.3 碳纳米管黑体流体光热转化效率

取水乙二醇配比为2∶3、碳纳米管加入量为0.1%、2种高效分散剂（加入量分别为1.2g/L、1.5g/L、1.8g/L）、超声波分散45min，分别调制黑液进行闷晒实验，即将各个黑液流体装在50ml的比色管中，置于太阳下闷晒，2组实验测试时温度不同，都是从中午12～15点每隔30min测定各比色管中黑液流体的温度，通过温度的变化来反映黑液流体吸收太阳光（太阳辐射）的能力，结果见表3、表4，都是没加分散剂的黑液温度最低，分别为37.5℃和40.0℃；无论是十六烷基三甲基溴化铵，还是聚丙烯酸钠为分散剂，其加入量为1.5g/L时黑液的温度最高，分别为41.8℃和43.8℃、42.0℃和44.0℃，与没有加入分散剂相比光热转化效率提高了12%～15%。

表3 光热转化效率（测量时温度为19～28℃）

表4 光热转化效率（测量时温度为25～34℃）

由于纳米粒子的量子效应以及高的比表面积和表面活性，与传统黑液相比，它对太阳辐射具有更高的吸收率，碳纳米管是由石墨层卷曲而成的无缝纳米级管状晶体，有直形、弯曲、螺旋等不同外形，其端点有的封闭有的张开，这样的纳米固体颗粒的存在使碳纳米管黑液流体对光的作用除了吸收外，对光还有较强的散射作用，固体粒子的散射作用增加了光在液相介质中的光程，因此，通过添加固体粒子可以增强普通液体对光的吸收作用，提高了集热效率［8］。加入聚丙烯酸钠等分散剂，可以增强碳纳米管黑液流体的分散稳定性，提高了吸收太阳辐射的能力，即提高了光热的转化效率。

3 结论

1）以碳纳米管为分散相材料，乙二醇水溶液为分散介质，可以制备出用于直接吸收式太阳集热器的新型吸热与传热循环工质——碳纳米管悬浮吸热黑液流体。该黑液流体的分散稳定性主要受到分散介质的组成、碳纳米管粒子的含量、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。

2）当水、乙二醇配比为2∶3、超声波分散45min、分散剂聚丙烯酸钠及十六烷基三甲基溴化铵等的浓度为1.5g/L、碳纳米管加入量为0.1%时黑液流体的分散稳定性较好，该黑液流体分散稳定性可以维持较长时间，分散稳定性好的碳纳米管黑液流体对太阳辐射具有全波段强吸收特性，可以提高集热效率，加入分散剂可使光热转化效率提高12%～15%。

1 文明芬，郭忠诚，杨显万.新型太阳选择性吸收涂层的研究.太阳能学报，1998，19（2）：217～219

2 廖伟初.全玻璃真空管黑液太阳能集热系统的性能研究.广东工业大学材料与能源学院，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，张仁元，柯秀芳，等.直接吸收式太阳能集热系统研究综述.材料导报，2007，21（12）：12～15

5 窦文龄，辛霞，徐桂英.两亲分子对碳纳米管的分散稳定作用.物理化学学报，2009（2）：382～388

6 朱正吼，宋晖，胡伟.超细软磁粉体在介质中超声波分散工艺.兵器材料科学与工程，2006（3）：41～45

7 章莉娟，郑忠.胶体与界面化学（第二版）广州：华南理工大学出版社，2006

8 周乐平，王补宣.准稳态法测量纳米颗粒悬浮液的热物性.工程热物理学报，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

湖南省第二批大学生研究性学习和创新性试验计划项目。（编号：2009－106），湖南省重点学科预备学科长沙理工大学重点学科（材料学学科）建设项目资助。

夏清（1966－），本科，副教授；主要从事天机材料工艺及材料绿色化研究。E－mail：qingxia701@sina.com