CN1932410A - 纳米流体太阳能窗式集热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米流体太阳能窗式集热器。它具有多个纳米流体太阳能窗体，纳米流体太阳能窗体的出液孔依次与换热部件、循环泵的进水管相接，多个纳米流体太阳能窗体的进液孔与循环泵的出水管相接，循环泵接有旁路调节阀；纳米流体太阳能窗体具有上框架、下框架、双层玻璃、侧框架，上框架上侧面设有进液孔、气孔，下框架上侧面设有微孔，下框架下侧面设有出液孔；换热部件由纳米流体集箱、换热水箱组成。本发明作为建筑物窗体可以调节建筑物采光效果；并可以有效利用投射到窗体上的太阳能红外能量进行光热转换提供建筑用能；在冬季日照强度低时该发明可作为隔热窗体，有着高的热阻和高保温效果可以减少建筑物散热损失。

Description

纳米流体太阳能窗式集热器
技术领域
本发明涉及集热器，尤其涉及一种纳米流体太阳能窗式集热器。
背景技术
伴随着人类社会的进步，人与自然的矛盾愈来愈严重地体现在巨大的能源消耗上。我国是能源消费大国，建筑用能占据了全国总能耗的27.8％，是主要的用能大户。开发新能源、采用新能源材料技术进行建筑节能对降低我国的社会总能耗有重要作用。(1)在众多可再生能源中太阳能清洁环保、蕴藏能量巨大、普遍存在并适用于建筑供能，而我国陆地年接受太阳辐射能3.3×103～8.4×106kJ/(m2·年)，其中2/3地区以上年日照时数大于2200h，太阳能资源丰富，在建筑供能方面有着较大的优势。(2)在新型能源材料中，纳米颗粒由于粒子尺寸与传导电子德布罗意波长以及超导态德相干波长物理尺寸相当甚至更小，其周期性质的边界条件受到破坏，纳米颗粒的光吸收特性与普通材料发生了较大变化(小尺寸效应)，同时由于纳米颗粒粒径的变小表面(或界面)效应急剧增大，使得纳米颗粒的光学性质发生了显著变化，出现了吸收峰蓝移和红移以及吸收频带宽化的现象。从而纳米颗粒体具有特殊的光吸收性质并产生了强烈的光热特性，纳米材料作为新型的太阳能材料对提高太阳能光热转化效率有着非常重要的作用。
在建筑耗能中，窗体热传导耗能占据了整体建筑用能的20％，窗体耗能是建筑物耗能的主要形式，而这部分能耗主要体现为：夏季在保证正常照明的同时，大量太阳辐射热通过窗体进入室内增大了空调制冷耗能；冬季由于窗体热阻较低室内大量热量通过窗体散失，增加了供暖耗能。目前针对上述两个问题建筑窗体主要采用了双层真空玻璃和涂层玻璃：双层真空玻璃利用真空隔层增加了窗体的整体传热热阻起到了很好的保温作用，主要是减少了冬季的建筑物散热损失，但在夏季并不能遮挡太阳红外波段热辐射进入建筑物内部来减少制冷热负荷；涂层玻璃主要是在夏季利用涂层大量反射太阳辐射红外波段能量(反射的同时这部分能量被浪费掉不能进行光热利用)选择性透过其他波段太阳辐射供建筑物内照明使用，涂层玻璃热阻较小增大了建筑物的散热损失，同时涂层也存在着自清洁和老化脱落的问题。双层真空玻璃和涂层玻璃多不能对投射在窗体上的太阳能进行光热利用，这在某种程度上浪费太阳能资源增加了建筑耗能。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米流体太阳能窗式集热器。
它具有多个纳米流体太阳能窗体，纳米流体太阳能窗体的出液孔依次与换热部件、循环泵的进水管相接，多个纳米流体太阳能窗体的进液孔与循环泵的出水管相接，循环泵接有旁路调节阀；纳米流体太阳能窗体具有上框架、下框架、双层玻璃、侧框架，上框架上侧面设有进液孔、气孔，下框架上侧面设有微孔，下框架下侧面设有出液孔；换热部件由纳米流体集箱、换热水箱组成。
所述纳米流体太阳能窗体内注有SiO2纳米流体工质。SiO2纳米流体工质中SiO2超微颗粒粒径40nm，颗粒体积百分比浓度为1～3％。双层玻璃为5～12mm的白玻璃，双层玻璃间夹层厚度为4～8mm。微孔为2～4排，微孔直径为2～4mm，，进液孔的直径为8～12mm，气孔的直径2～4mm。
本发明的有益效果
1)可调节窗体透过可见光强度，在不同的日照强度下始终保证建筑物内最佳的采光效果：本发明中使用的SiO2纳米流体对可见光有着很好的透过性，不同厚度的SiO2纳米流体层对可见光的透射强度又有着不同的效果，利用此特点本发明中根据日照强度，通过调节双层玻璃夹层中的纳米流体的流速和流体层厚度控制纳米流体窗式集热器的透光效果保证建筑物内的最佳采光效果；
2)分波段、多形式、全波段利用太阳能的有效辐射：在满足建筑物内采光的同时利用SiO2纳米流体对太阳辐射红外波段的吸收特性进行光热转换，而太阳能辐射能量主要分布在可见光部分和红外部分，且各占了总能量的50％左右，本发明正是针对这两部分能量分别进行了利用，因此是高效全能量区域利用；
3)冬季使用热阻大高保温：该纳米流体太阳能窗式集热器可以停止使用纳米流体循环，将纳米流体储存在纳米流体集箱中，此时双层玻璃中间夹层为中空的空气层，使得窗体整体传热热阻增大，减少建筑物的窗体散热损失较好的隔热保温，降低建筑物的供暖热负荷；
4)建筑美观：该发明工作时纳米流体在窗体中自上而下流过，由于SiO2纳米流体中超微颗粒的特殊光学特性，纳米流体呈现蔚蓝色，加之流动效果，窗体与建筑的结合将产生特殊的视觉效果。
附图说明
图1是纳米流体太阳能窗式集热器结构示意图；
图2(a)是本发明的纳米流体太阳能窗体结构示意图；
图2(b)是本发明的纳米流体太阳能窗体上框架、下框架结构示意图；
图中：循环泵1、旁路调节阀2、纳米流体太阳能窗体3、流量调节阀4、纳米流体集箱5、换热水箱6、进液孔7、出液孔8、气孔9、上框架10、下框架11、双层玻璃12、侧框架13、微孔14。
具体实施方式
本发明是利用纳米流体1)对太阳辐射可见光波段高透过，2)对太阳辐射红外波段高吸收的特性，制成的既可以供暖又可以隔热又可以保证建筑物内照明的纳米流体太阳能窗式集热器。本发明在夏季时可以在透过可见光的同时对太阳能红外辐射波度进行光热转换提供生活热水，在冬季时利用本身的隔层增大窗体热阻起到高保温的作用。纳米流体太阳能窗式集热器不仅可以减少建筑物本身的散热损失还可以充分利用太阳能为建筑供能。
纳米流体太阳能窗式集热器装置包括了纳米流体太阳能窗体，以及与其连接的纳米流体循环管路，循环管路上依次布置了流量调节阀、纳米流体集箱、换热水箱、循环泵。流量调节阀是根据太阳辐射的强度调整窗体内部纳米流体的流动速度以得到理想的供热温度，所述的纳米流体集箱和换热水箱主要完成了纳米流体与外界的热交换过程。
所述的纳米流体太阳能窗体中间部分由左右两侧密封的双层普通透光玻璃组成，两层玻璃夹层厚度可根据当地太阳能辐射强度不同、以及希望达到的透光效果具体制成6mm，夹层中纳米流体自上而下流过选择性透光的同时完成太阳能的光热转换。双层玻璃四周为窗体框架，上下框架为中空可以存储纳米流体且上框架上部开有气孔，与双层玻璃衔接部分整体布有直径为2mm的微孔可以保证纳米流体在双层玻璃内部均匀稳定流动，避免出现纳米流体流动滞止死区。
本发明中使用的纳米流体为粒径分布在40nm的SiO2纳米溶液，体积浓度为1％，纳米流体利用高压微射流分散仪制备，实验证明该纳米流体对可见光高透过对红外高吸收。
纳米流体太阳能窗式集热器工作方式：在夏季太阳辐射强度大时需要进行隔热透光或冬季太阳辐射较强希望储热时，纳米流体集箱中的纳米流体通过循环泵被送入纳米流体太阳能窗体的上中空框，通过微孔纳米流体均匀流入双层玻璃，太阳辐射投射到双层玻璃上，纳米流体选择透过可见光吸收红外光转化为热，升温的纳米流体通过循环管路再次进入纳米流体集箱，纳米流体集箱被水域包覆，纳米流体和水域完成热量交换；在不同的日照强度时，可以通过流量调节阀调整双层玻璃夹层中的纳米流体流速和流体层厚度，达到不同的可见光透过效果，保证建筑物内最佳的采光效果；在冬季建筑物内部温度高希望窗体隔热保温时，停止循环泵，纳米流体全部储存在集箱中，双层玻璃夹层中空增大窗体热阻起到隔热保温作用。
如附图所示，纳米流体太阳能窗式集热器具有多个纳米流体太阳能窗体3，纳米流体太阳能窗体的出液孔8依次与换热部件、循环泵1的进水管相接，多个纳米流体太阳能窗体的进液孔7与循环泵1的出水管相接，循环泵接有旁路调节阀2；纳米流体太阳能窗体具有上框架10、下框架11、双层玻璃12、侧框架13，上框架上侧面设有进液孔、气孔9，下框架上侧面设有微孔14，下框架下侧面设有出液孔；换热部件由纳米流体集箱5、换热水箱6组成。
所述纳米流体太阳能窗体3内注有SiO2纳米流体工质。SiO2纳米流体工质中SiO2超微颗粒粒径40nm，颗粒体积百分比浓度为1～3％。双层玻璃12为5～12mm的白玻璃，双层玻璃间夹层厚度为4～8mm。微孔14为2～4排，微孔直径为2～4mm，，进液孔7的直径为8～12mm，气孔9的直径2～4mm。
本发明利用纳米流体特殊的光学性质，全波段多途径利用太阳能辐射能，对可见光进行可调节性透过，保证建筑物内最佳的采光效果，对于太阳能辐射红外波段进行高效的光热转换，为建筑物供暖，不同的日照强度下均可工作；即使在太阳能辐射较差的冬季也可以利用自身的高热阻特性减少建筑物散热损失起到隔热保温的作用。
实施例
选用粒径为40nm的SiO2纳米粉体，配置体积浓度为1％的SiO2纳米流体，使用高压微射流分散仪再次分散控制SiO2纳米颗粒粒径在40nm得到纳米流体太阳能窗式集热器的工作流体；将纳米流体注入纳米流体集箱，加入量为纳米流体集箱体积的80％。
纳米流体太阳能窗式集热器工作时，打开循环系统循环泵将纳米流体送入纳米流体太阳能窗体，调节旁路调节阀保证纳米流体进口压力，开启流量调节阀跟据日照强度调节窗体中纳米流体的流速与流体层厚度，纳米流体经循环回路再次流入纳米流体集箱与换热水箱中流体进行换热完成工作循环。
工作结束时，停止循环回路循环泵和旁路调节阀打开气孔纳米流体依靠自身重力流会纳米流体集箱，双层玻璃夹层中空，纳米流体太阳能窗体热阻增大，纳米流体太阳能窗式集热器开始起隔热保温作用，减少建筑物散热损失。

Claims (5)

1.一种纳米流体太阳能窗式集热器，其特征在于，它具有多个纳米流体太阳能窗体(3)，纳米流体太阳能窗体的出液孔(8)依次与换热部件、循环泵(1)的进水管相接，多个纳米流体太阳能窗体的进液孔(7)与循环泵(1)的出水管相接，循环泵接有旁路调节阀(2)；纳米流体太阳能窗体具有上框架(10)、下框架(11)、双层玻璃(12)、侧框架(13)，上框架上侧面设有进液孔、气孔(9)，下框架上侧面设有微孔(14)，下框架下侧面设有出液孔；换热部件由纳米流体集箱(5)、换热水箱(6)组成。
2.根据权利要求1所述的一种纳米流体太阳能窗式集热器，其特征在于，所述纳米流体太阳能窗体(3)内注有SiO2纳米流体工质。
3.根据权利要求2所述的一种纳米流体太阳能窗式集热器，其特征在于，所述SiO2纳米流体工质中SiO2超微颗粒粒径40nm，颗粒体积百分比浓度为1～3％。
4、根据权利要求1所述的一种纳米流体太阳能窗式集热器，其特征在于，所述双层玻璃(12)为5～12mm的白玻璃，双层玻璃间夹层厚度为4～8mm。
5、根据权利要求1所述的一种纳米流体太阳能窗式集热器，其特征在于，所述微孔(14)为2～4排，微孔直径为2～4mm，，进液孔(7)的直径为8～12mm，气孔(9)的直径2～4mm。
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