CN111928500B - 一种采用MXene纳米流体的太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能利用相关技术领域，其公开了一种MXene纳米流体及其制备方法，该方法包括：将MXene与分散剂混合获得混合物，并采用超声仪将混合物分散至基液中获得一种能高效吸收太阳辐射的MXene纳米流体。本申请还提供了一种采用上述MXene纳米流体的太阳能集热器，该太阳能集热器包括至少一个集热单元，每个集热单元包括一凹槽，MXene纳米流体设于凹槽内，凹槽的底部和侧壁设有反射涂层以反射太阳辐射，凹槽的开口处设有透明保温材料以对开口密封；集热单元还包括一凸透镜，凹槽位于凸透镜的焦点上。本申请通过对太阳能集热器的结构以及其内的换热流体进行改进，解决了现有的太阳能集热器集热效率低的问题。

Description

一种采用MXene纳米流体的太阳能集热器

技术领域

本发明属于太阳能利用相关技术领域，更具体地，涉及一种采用MXene纳米流体的太阳能集热器。

背景技术

太阳能的高效利用一直是人类的不懈追求，目前，在太阳能集热领域主要采用的是间接吸收式太阳能集热器，其原理是采用经过特殊处理(如表面涂有选择性吸收涂层)的表面吸收太阳辐射形成高温面，进而通过对流换热的传热方式加热流体从而实现对太阳能的利用，虽然这种方式可以方便地实现对太阳辐射的吸收，但存在传热环节多、在高温面热损失大等缺点，导致集热效率无法进一步提高。直接式太阳能集热器不同于间接式集热器，其利用传热流体自身对太阳辐射的直接吸收来实现对太阳能的利用，此种方式可以有效改善传热环节多以及在高温面热损失大的缺点，从而可以进一步提高集热效率。然而，常规流体(如水)对太阳辐射的吸收能力较弱，直接应用于直接吸收式太阳能集热器并不能有效吸收太阳辐射，除此之外，现有的集热器的整体结构也会显著影响直接吸收式集热器的集热性能，因此需要结合流体吸收太阳辐射的性能设计一种高效的直接吸收式太阳能集热器以提高其集热效率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用MXene纳米流体的太阳能集热器，通过增加聚光凸透镜和反射涂层增加对太阳辐射的汇聚和反射作用，通过采用MXene纳米流体作为传热工质，提高传热工质吸收太阳辐射的性能，以提高现有太阳能集热器集热效率，进而解决现有的太阳能集热器集热效率低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种MXene纳米流体的制备方法，所述方法包括：将MXene与分散剂混合获得混合物，并采用超声仪将所述混合物分散至基液中获得所述MXene纳米流体。

优选地，在所述MXene纳米流体中所述MXene的浓度为10ppm～200ppm。

优选地，所述基液为导热流体。

优选地，所述基液为水、乙二醇或导热油中的一种。

按照本发明的另一个方面，提供了一种采用上述MXene纳米流体的制备方法制备的MXene纳米流体。

按照本发明的再一个方面，还提供了一种采用上述MXene纳米流体的太阳能集热器，所述太阳能集热器包括至少一个集热单元，每个所述集热单元包括一凹槽，所述MXene纳米流体设于所述凹槽内，所述凹槽的底部和侧壁设有反射涂层以反射太阳辐射，所述凹槽的开口通过透明保温材料密封；所述集热单元还包括一凸透镜，所述凹槽位于所述凸透镜的焦点上。

优选地，所述凹槽内的所述MXene纳米流体的深度为5mm～25mm。

优选地，所述凹槽内的所述MXene纳米流体的深度与所述MXene纳米流体的浓度成反比。

优选地，所述凸透镜为线性菲涅尔透镜；所述透明保温材料为透明气凝胶。

优选地，至少一个所述集热单元并列设于一绝热框架内，所述绝热框架内表面设有反射涂层。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的MXene纳米流体的制备方法、MXene纳米流体及太阳能集热器至少具有如下有益效果：

1.通过对集热器中常规的的传热介质进行改进，将MXene分散于传热介质中，一方面增强了常规传热介质吸收太阳辐射的性能，另一方面通过MXene材料的局部等离子体共振效应(LSPR)，强化了在近红外波长范围(约760nm)对太阳辐射的吸收，因此增加了集热器的热效率；

2.将MXene纳米流体设于凹槽内，凹槽的内壁设有反射涂层，使得射入凹槽内的太阳辐射要么被MXene纳米流体直接吸收，要么经反射涂层反射后被MXene纳米流体再次吸收，吸收效率高；

3.通过凸透镜对太阳辐射进行聚焦，并且该凸透镜优选为线性菲涅尔透镜，凹槽位于凸透镜的焦点上进而将太阳辐射聚焦于凹槽内，进而被凹槽内的MXene纳米流体吸收，结构简单，集热效率高；

4.凹槽内MXene纳米流体的深度优选为5mm～25mm，MXene纳米流体的深度太小不能保证对太阳辐射的有效吸收，MXene纳米流体的深度太大太阳辐射在MXene纳米流体表面很薄一层被吸收，会有部分MXene纳米流体不能充分吸收太阳辐射，上述深度范围在保证MXene纳米流体具有高的吸热效率的同时又避免了不合理利用；

5.采用透明气凝胶对凹槽开口进行密封，即可保证太阳辐射透过透明气凝胶时具有高透过率又利用气凝胶极好的保温性能对升温后的MXene纳米流体进行保温，减少热量散失，提高了集热器的吸热效率。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的MXene纳米流体的制备方法的步骤图；

图2示意性示出了采用图1中的MXene纳米流体的太阳能集热器的结构示意图；

图3示意性示出了图2中的太阳能集热器的一个集热单元的结构示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的具有两个集热单元的太阳能集热器的结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的MXene纳米流体的通过率与太阳辐射的波长之间的关系示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

10-凹槽：

11-反射涂层，12-透明保温材料；

20-凸透镜；

30-绝热框架：

31-保温材料，32-支撑材料，33-反射涂层；

40-MXene纳米流体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供了一种MXene纳米流体的制备方法，所述方法包括：S1，将MXene与分散剂混合获得混合物；S2，采用超声仪将所述混合物分散至基液中获得所述MXene纳米流体。

MXene(Ti₃C₂T_x)是一种类似于石墨烯的二维层状纳米材料，具有优异的光学、导电和导热性能。将MXene与分散剂(例如，曲拉通X-100)加入到基液中，而后采用尖端超声仪超声分散即可制得基于MXene的纳米流体，该MXene纳米流体不仅能高效吸收太阳辐射，还具有局部等离子体共振效应(LSPR)，进而能够在近红外波长范围(约760nm)强化太阳辐射的吸收。本公开实施例中的基液可以是水、乙二醇或导热油等导热流体中的一种，根据太阳能集热器使用的温度范围，可以选择不同的导热流体作为基液。MXene纳米流体中MXene的浓度优选为10ppm～200ppm，在该浓度范围内可以有效吸收太阳辐射，同时有助于减少MXene的沉降。

如图5所示，通过实验可以得到本公开实施例中的MXene纳米流体对太阳辐射的波长具有很好的吸收效率。

上述所述的MXene可以通过直接购买获得，也可以采用合成HF刻蚀前驱体的方法获得，具体过程如下：

首先将LiF溶解于的HCl中，然后加入Ti₃A1C₂，35℃恒温搅拌24h，之后加入去离子水，并采用离心机离心，然后保留沉淀物去除上清液，重复离心过程直至上清液中的PH大于6，然后将沉淀物置于真空干燥箱中在40℃环境下干燥24h，所得即为多层MXene纳米材料。

本公开实施例还提供了一种基于上述MXene纳米流体的太阳能集热器，如图2所示，所述太阳能集热器包括至少一个集热单元，如图3所示，每个所述集热单元包括一凹槽10，所述MXene纳米流体40设于所述凹槽10内，所述凹槽10的内表面设有反射涂层11，所述凹槽10的开口通过透明保温材料12密封；所述集热单元还包括一凸透镜20，所述凹槽10位于所述凸透镜20的焦点上。

本公开实施例中，如图2所示，凹槽10优选为矩形凹槽，MXene纳米流体设于所述凹槽10内，凹槽10的内表面涂有反射涂层11，该反射涂层11可以反射太阳辐射使得太阳辐射再次进入MXene纳米流体40以被该MXene纳米流体40吸收。

在凹槽10内，该MXene纳米流体40的深度优选为5mm～25mm，MXene纳米流体40的深度太小不能保证对太阳辐射的有效吸收，MXene纳米流体40的深度太大太阳辐射在MXene纳米流体40表面很薄一层被吸收，会有部分MXene纳米流体40不能充分吸收太阳辐射，该深度范围在保证MXene纳米流体40具有高的吸热效率的同时又避免了MXene纳米流体40的不充分利用。在实际的应用中，凹槽10内所述MXene纳米流体40的深度与所述MXene纳米流体40的浓度成反比，MXene纳米流体40的浓度越高，其对应的在凹槽10内的深度越小。

凹槽10的开口可以通过透明保温材料12进行密封，例如，透明气凝胶，更进一步的优选为SiO₂气凝胶，透明保温材料12对太阳辐射具有高透过性进而减少对太阳辐射的削弱；同时导热系数低，保温效果好，热量不容易散失出去，进而降低热损失。

本公开实施例中，凹槽10位于凸透镜20的焦点附近，以使得凸透镜20聚焦的太阳辐射落入凹槽10内的MXene纳米流体40上以被MXene纳米流体40吸收。本公开实施例中，凸透镜20优选为线性菲涅尔透镜，采用线性菲涅尔透镜，线性菲涅尔透镜具有优良的聚光特性，同时可以有效减少MXene纳米流体40对外界的热损失，使其能够实现较高的集热温度。

如图3所示，凹槽10的外层材料优选为保温材料31，其内层可以设置支撑材料32，反射涂层11涂覆于支撑材料32上。

上述集热单元可以为一个或多个，该集热单元可以设于一绝热框架30内，该绝热框架30的外层的材料优选为酚醛树脂保温材料31，该绝热框架30的内层一般为支撑材料32，例如可以为铝合金材料，该内层的表面涂覆有反射涂层33，以反射太阳辐射。集热单元的凸透镜20可以固定于绝热框架30上，使得绝热框架30内表面的反射涂层33反射的太阳辐射被限制在绝热框架30内，进而使得太阳辐射被MXene纳米流体40吸收。如图4所示，当有多个集热单元时，多个集热单元并列设置，可以共用同一绝热框架30，多个集热单元可以相互连接，如有多个集热单元时可以通过在相邻的集热单元一端连接，从而使MXene纳米流体在集热器中循环加热。

工作过程中：当太阳辐射照射在凸透镜20上，大部分太阳辐射被凸透镜20汇聚至凹槽10内，其中，一部分太阳辐射被凹槽10内的MXene纳米流体40直接吸收，还有部分太阳辐射被凹槽10内的反射涂层11反射进MXene纳米流体内被MXene纳米流体40吸收。未被汇聚至凹槽10内的太阳辐射被绝热框架30内表面的反射涂层33反射进绝热框架30与凸透镜10之间的区域，进而被该区域内的凹槽10内的MXene纳米流体40吸收，绝热框架30的外表面为保温材料，热损失小，进一步提高了该太阳能集热器的集热效率。

综上所述，本申请提供的一种MXene纳米流体的制备方法、MXene纳米流体及太阳能集热器，一方面通过对导热流体进行改进，提高导热流体的集热性能，另一方面对现有的太阳能集热器的结构进行改进，进一步提高了太阳能集热器对太阳辐射的转化效率，进而显著提高太阳能集热器的热效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用MXene纳米流体的太阳能集热器，其特征在于，所述太阳能集热器包括至少一个集热单元，每个所述集热单元包括一凹槽(10)，MXene纳米流体(40)设于所述凹槽(10)内，所述凹槽(10)的内表面设有反射涂层(11)以反射太阳辐射，所述凹槽(10)的开口处设有透明保温材料(12)，以对所述凹槽(10)进行密封；所述集热单元还包括一凸透镜(20)，所述凹槽(10)位于所述凸透镜(20)的焦点上。

2.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述凹槽(10)内的所述MXene纳米流体(40)的深度为5mm～25mm。

3.根据权利要求2所述的太阳能集热器，其特征在于，所述凹槽(10)内的所述MXene纳米流体(40)的深度与所述MXene纳米流体(40)的浓度成反比。

4.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述凸透镜(20)为线性菲涅尔透镜；所述透明保温材料(12)为透明气凝胶。

5.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，至少一个所述集热单元并列设于一绝热框架(30)内，所述绝热框架(30)内表面设有反射涂层(33)。

6.一种权利要求1～5任意一项所述的太阳能集热器，其特征在于，所述MXene纳米流体的制备方法为：

将MXene与分散剂混合获得混合物，并采用超声仪将所述混合物分散至基液中获得所述MXene纳米流体，所述基液为导热流体。

7.根据权利要求6所述的太阳能集热器，其特征在于，在所述MXene纳米流体中所述MXene的浓度为10ppm～200ppm。

8.根据权利要求6所述的太阳能集热器，其特征在于，所述基液为水、乙二醇或导热油中的一种。

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