CN106941972A - 一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置,将中华墨墨汁开发为太阳能光热利用的高效纳米流体，温室装置由滤光系统、集热系统和附件组成。滤光系统内，光子晶体反射板将太阳光谱中的红蓝光透过供给植物生长，其余光质被反射聚焦到集热系统内；集热系统由集热管、保温管两部分组成，集热管内装单元组合转子，集热介质采用中华墨墨汁，在集热管段，中华墨墨汁在温差作用下流动，带动组合转子转动，产生扰流作用强化传热，中华墨墨汁从保温管流下，通过热水管回收，将太阳能以热能形式存储利用。本发明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。

Description

一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置

技术领域

本发明涉及光热农业，特别是纳米流体，属于太阳能高效利用领域。

背景技术

能源短缺、生态危机日益严峻，新能源的开发利用迫在眉睫，太阳能清洁、充足，成为节能减排的重要选择。目前，太阳能利用主要有光伏和光热两种。光伏技术发展成熟应用广泛，但太阳能光伏电池在生产过程中对环境的损耗较大，是高能耗、高污染的生产流程。相比之下，太阳能光热利用是清洁生产过程，基本采用物理手段进行光电能量转换，对环境危害极小。顾名思义，太阳能光热利用技术就是利用太阳能聚光集热系统把来自太阳的光能集中起来，对导热介质进行加热，转换成热能进行存储利用。但由于储热效率低，发展不成熟，尚未大规模应用。

储热介质在太阳能光热利用中起着很重要的作用。近几年，考虑到纳米流体优异的热输运性能以及纳米颗粒特殊的光吸收性能，有研究者提出将纳米流体用作太阳能光热利用集热器的储热工质，利用纳米流体直接吸收太阳辐射能，以达到提高集热器热效率的目的。纳米流体概念最早由美国Argonne国家实验室的Chio等提出，即把纳米金属或非金属粉体分散到水、醇、油等介质中，制备成均匀、稳定的新型介质体系。将纳米流体应用于太阳能光热利用领域，显著提高了储热介质的导热系数，太阳能利用率大大提高。但纳米流体的稳定性欠佳，在重力场作用下纳米颗粒易沉降、附壁，制备过程需超声分散，并添加稳定剂、分散剂等，制备过程复杂，成本高，因而目前没有纳米流体大规模应用于实际生产的报道，关于纳米流体的研究多局限于实验室范围。

公开号为CN106472178A的专利《一种带有光子晶体膜的太阳能高效利用温室装置》，提出通过采用光子晶体膜分光作用实现种植与集热于一体，并时刻保持阳光直射，实现太阳能高效利用，减少作物水分蒸发。既满足植物生长，又能够将大部分太阳能以热能的形式进行存贮利用。但该专利为静态光热利用系统，集热介质单一，光热转换效率有待提高。

中华墨是中国传统文化的结晶，作为重要的书画材料，中华墨在中国艺术中具有十分重要的作用。中国传统墨汁的主要成分为炭黑和骨胶，及少量香料、防腐剂等，如冰片、麝香、苯酚等。在传统工艺中，将植物、植物油及矿物不充分燃烧所产生的烟料作为碳黑，掺以胶料、香料压模来进行制墨。故按其所选烟料，大致可分为松烟墨、桐油烟墨、漆烟墨、石油烟墨等。

发明内容

针对以上问题，本发明提出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。

为实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，由滤光系统、集热系统和附件组成。附件包括墙体和水槽。墙体作为温室装置的主体提供绿色植物的生长空间，墙体南低北高放置，滤光系统置于墙体顶部。滤光系统内，光子晶体反射板将太阳光谱中的红蓝光透过供给植物生长，其余光质被反射聚焦到集热系统内。集热系统以中华墨墨汁作为集热介质，中华墨墨汁流动带动单元组合转子转动，产生扰流作用强化传热，提高光热转换效率。

滤光系统由光子晶体反射板、中心轴、支撑杆组成。支撑杆将光子晶体反射板支撑在墙体顶部，中心轴对光子晶体反射板起定位作用。光子晶体反射板指能够对太阳光当中的红蓝光进行分光的反射板，红蓝光穿过反射板供给绿色植物正常生长，非红蓝光被反射收集，照射到集热系统内。

集热系统包括冷水管、热水管和集热组件三部分。集热介质采用中华墨墨汁，将中华墨墨块按照中国传统制作工艺研磨后与水混合，中华墨墨块一般是将植物、植物油及矿物不充分燃烧所产生的烟料作为炭黑，掺以胶料、香料压模来进行制墨，中华墨墨块主要成分为炭黑和骨胶，骨胶能够促进炭黑的均匀分布，中华墨墨汁中的炭黑颗粒粒径达50-100nm，颗粒粒径过大则储热效果不佳，粒径过小则加工成本太高；中华墨墨汁中的炭黑质量分数为0.05％-0.15％，质量分数过高则成本高，质量分数过低则储热效果差。中华墨墨汁经由冷水管进入集热系统，经过集热组件后温度升高，再经由覆盖了保温层的热水管进行收集利用。集热组件包括集热管、弯头和保温管三部分。集热管底端深入冷水管，顶端与弯头通过连接法兰连接，集热管由支撑杆固定，位于光子晶体反射板的几何中心。集热管内部装有单元组合转子、固定件、限位件和转轴。集热管段的迎水端与背水端都装有固定件进行支撑固定，转轴两端通过限位件固定在固定件上，转轴依次通过转子的轴孔、固定件和限位件的中心孔，管内放置多个转子形成单元组合转子。转子可首尾相连整串装穿于转轴上，也可以通过限位件分成转子数量相同或不同的若干组，使转子均匀转动。固定件、限位件由高分子材料、高分子基复合材料、金属或陶瓷材料制成。集热管与弯头通过连接法兰进行连接，弯头上下管端中心的连线可与地面垂直，也可错开一定角度，避免保温管对集热管的遮挡作用。保温管有保温层覆盖，将吸热后的中华墨墨汁输送进入热水管。

在太阳照射下，绿色植物生长所需要的红蓝光透过光子晶体反射板供给绿色植物正常生长，其他光质被反射到集热系统。集热管内产生温差，同时不断向冷水管内泵送中华墨墨汁并带走热水管内的中华墨墨汁，使集热管内中华墨墨汁不断向上流动，流经转子时，带动单元组合转子转动，依靠转子叶片对中华墨墨汁的扰流作用，强化传热，同时转子叶片对中华墨墨汁有一定剪切作用，避免中华墨墨汁中的炭黑的附壁作用。同时，由水槽收集光子晶体反射板上的雨水等，可用于绿色植物的灌溉。

本发明一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其优点和作用为：

(1)大大提高太阳能光热转换效率。本发明提出中华墨墨汁这种新型纳米流体，其吸热效率远远高于清水；同时，单元组合转子的动态系统对中华墨墨汁产生扰流作用，强化传热，提高了太阳能的利用效率；

(2)降低成本。中华墨墨汁的制作成本远低于传统纳米流体，且不需要添加稳定剂等，制备方便快捷，符合大规模应用的要求，对大范围推广提供条件；

(3)集热管自清洁。单元组合转子叶片对中华墨墨汁有一定剪切作用，能够避免中华墨墨汁中的炭黑的附壁，使用方便，操作简单。

附图说明

图1是本发明一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置的轴测图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置的集热系统结构图。

图4是弯头结构图

图中：1-绿色植物 2-墙体 3-光子晶体反射板 4-中心轴 5-支撑杆 6-集热组件7-冷水管 8-热水管 9-水槽 10-单元组合转子 11-集热管 12-连接法兰13-固定件 14-限位件 15-弯头 16-保温管 17-保温层 18-转轴

具体实施方式

如图1、图2所示，一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，由滤光系统、集热系统和附件组成。附件包括墙体2和水槽9。墙体2作为温室装置的主体提供绿色植物1的生长空间，墙体2南低北高放置，滤光系统置于墙体2顶部。滤光系统内，光子晶体反射板3将太阳光谱中的红蓝光透过供给植物生长，其余光质被反射聚焦到集热系统内。集热系统以中华墨墨汁作为集热介质，中华墨墨汁流动带动单元组合转子转动，产生扰流作用强化传热，提高光热转换效率。

滤光系统由光子晶体反射板3、中心轴4、支撑杆5组成。支撑杆5将光子晶体反射板3支撑在墙体2顶部，中心轴4对光子晶体反射板3起定位作用。光子晶体反射板3指能够对太阳光当中的红蓝光进行分光的反射板，红蓝光穿过反射板供给绿色植物1正常生长，非红蓝光被反射收集，照射到集热系统内。

集热系统包括冷水管7、热水管8和集热组件6三部分。集热介质采用中华墨墨汁，按照中国传统制作工艺进行制备，将植物、植物油及矿物不充分燃烧所产生的烟料作为炭黑，掺以胶料、香料压模来进行制墨，中华墨墨块主要成分为炭黑和骨胶，骨胶能够促进炭黑的均匀分布，炭黑颗粒粒径达50-100nm，颗粒粒径过大则储热效果不佳，粒径过小则加工成本太高；中华墨墨汁炭黑质量分数为0.05％-0.15％，质量分数过高则成本高，质量分数过低则储热效果差。中华墨墨汁由冷水管7进入集热系统，经过集热组件6后温度升高，再经由覆盖了保温层17的热水管8进行收集利用。集热组件6包括集热管11、弯头15和保温管16三部分。集热管11底端深入冷水管7，顶端与弯头15通过连接法兰12连接，集热管11由支撑杆5固定，位于光子晶体反射板3的几何中心。集热管11内部装有单元组合转子10、固定件13、限位件14和转轴18。集热管11段的迎水端与背水端都装有固定件13进行支撑固定，转轴18两端通过限位件14固定在固定件13上，转轴18依次通过转子的轴孔、固定件13和限位件14的中心孔，管内放置多个转子形成单元组合转子10。转子可首尾相连整串装穿于转轴上，也可以通过限位件分成转子数量相同或不同的若干组，使转子均匀转动。固定件13、限位件14由高分子材料、高分子基复合材料、金属或陶瓷材料制成。集热管11与弯头15通过连接法兰12进行连接，弯头15上下管端中心的连线可与地面垂直，也可错开一定角度，避免保温管17对集热管11的遮挡作用。保温管16有保温层17覆盖，将吸热后的中华墨墨汁输送进入热水管8。弯头15没有法兰的一端与其他管子采用粘接或与其他管子制成一体。

在太阳照射下，绿色植物1生长所需要的红蓝光透过光子晶体反射板供给绿色植物1正常生长，其他光质被反射到集热系统。集热管11内产生温差，同时不断向冷水管7内泵送中华墨墨汁并带走热水管8内的中华墨墨汁，使集热管11内中华墨墨汁不断向上流动，流经转子时，带动单元组合转子10转动，依靠转子叶片对中华墨墨汁的扰流作用，强化传热，同时转子叶片对中华墨墨汁有一定剪切作用，避免中华墨墨汁中炭黑的附壁作用。同时，由水槽9收集光子晶体反射板3上的雨水等，可用于绿色植物1的灌溉。

松烟墨为采用松木烧出的烟灰制作而成的墨块，浓黑无光，入水易化。采用松烟墨块作为原材料，用电磨手工将松烟墨块磨成粉末，按照质量分数为0.05％，将该粉末溶于水，无需超声分散，即得到中华墨墨汁。在透射电镜下看到中华墨炭黑颗粒平均粒径在50-80nm范围内。将中华墨墨汁与质量分数相同的Cu、CuO纳米流体在稳定性及吸热性能方面进行对比，实验发现中华墨墨汁在没有经过超声分散时，除少量杂质发生沉降外基本保持稳定，且中华墨墨汁的吸热性能明显高于Cu、CuO纳米流体，相同条件下，中华墨墨汁吸热性能比Cu纳米流体高26.67％，比CuO纳米流体高11.76％。

Claims (8)

1.一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其特征在于：由滤光系统、集热系统和附件组成，附件包括墙体和水槽，墙体作为温室装置的主体提供绿色植物的生长空间，墙体南低北高放置，滤光系统置于墙体顶部；滤光系统内，光子晶体反射板将太阳光谱中的红蓝光透过供给植物生长，其余光质被反射聚焦到集热系统内；集热系统以中华墨墨汁作为集热介质，中华墨墨汁流动带动单元组合转子转动，产生扰流作用强化传热，提高光热转换效率。

2.根据权利要求1所述的一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其特征在于：滤光系统由光子晶体反射板、中心轴、支撑杆组成，支撑杆将光子晶体反射板支撑在墙体顶部，中心轴对光子晶体反射板起定位作用；光子晶体反射板将对太阳光当中的红蓝光进行分光的反射板，红蓝光穿过反射板供给绿色植物正常生长，非红蓝光被反射收集，照射到集热系统内。

3.根据权利要求1所述的一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其特征在于：集热系统包括冷水管、热水管和集热组件三部分，中华墨墨汁经由冷水管进入集热系统，经过集热组件后温度升高，再经由覆盖了保温层的热水管进行收集利用；集热组件包括集热管、弯头和保温管三部分，集热管底端深入冷水管，顶端与弯头通过连接法兰连接，集热管由支撑杆固定，位于光子晶体反射板的几何中心；集热管内部装有单元组合转子、固定件、限位件和转轴，集热管段的迎水端与背水端都装有固定件进行支撑固定，转轴两端通过限位件固定在固定件上，转轴依次通过转子的轴孔、固定件和限位件的中心孔，管内放置多个转子形成单元组合转子；转子可首尾相连整串装穿于转轴上，也可以通过限位件分成转子数量相同或不同的若干组，使转子均匀转动；集热管与弯头通过连接法兰进行连接，保温管有保温层覆盖，将吸热后的中华墨墨汁输送进入热水管。

4.根据权利要求3所述的一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其特征在于：弯头上下管端中心的连线可与地面垂直，也可错开一定角度。

5.根据权利要求1所述的一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其特征在于：中华墨墨汁是将中华墨墨块研磨后与水混合制成，中华墨墨块是将植物、植物油及矿物不充分燃烧所产生的烟料作为炭黑，掺以胶料、香料压模来进行制墨，中华墨墨块主要成分为炭黑和骨胶，骨胶能够促进炭黑的均匀分布。

6.根据权利要求5所述的一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其特征在于：中华墨墨汁中的炭黑颗粒粒径达50-100nm。

7.根据权利要求5所述的一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其特征在于：中华墨墨汁中的炭黑质量分数为0.05％-0.15％。

8.根据权利要求1所述的一种动态中华墨太阳能综合利用温室装置，其特征在于：由水槽收集光子晶体反射板上的雨水，用于绿色植物的灌溉。