离子液体基集热纳米流体的光热转化性能调控和传热特性

The efficiencies of solar thermal collectors are critical for solar energy utilization systems including the soalr thermal power plants. This project aims at designing and developing novel heat-transfer liquids with high solar absorption, wide liquid temperature range, good thermal stablility, and high thermal conductivity for the direct absorption solar collectors suitable for the solar energy medium and high temperature utilization. The nanofluids based on the ionic liquids with good thermal stability will be systematically studied, in which several nanomateials including graphene are chosen as the additives. The stability of the nanomaterials dispersed in the ionic liquids will be firstly investigated. Secondly,the thermal conductivities, specific heat capacities, viscosities, optical absorption spectra, and extinction coefficients of the obtained nanofluids will be measured at the whole liquid temperature range.Thirdly, the solar thermal conversion performances of the nanofluids will be evaluated. Based on the obtained data, the effects of the microstructures, sizes, morphologies, and volume fraction of the nanomaterials on the properties and the solar thermal conversion performances of the obtained nanofluids will be elucidated, and the properties of the nanofluids can be tuned and optimized. Finally, the heat transfer characteristics of the obtained nanofluids with high solar thermal performance will be studied. This project helps to accelarate the development on the direct absorption solar collectors and the solar thermal power plants by providing the ioni liquid-based nanofluids with high solar thermal conversion performances and good heat transfer characteristics.

太阳能集热器的效率对包括太阳能热发电在内的太阳能热利用系统至关重要。本项目致力于为适应太阳能中、高温热利用的新型直接吸收太阳能集热器来设计和研制太阳辐射吸收率高、工作温程宽、耐高温热分解性好以及热导率高的新型集热介质。以离子液体为基础流体，加入包括石墨烯在内的几种纳米添加剂来研制高性能集热纳米流体。探索相关纳米材料在离子液体中的分散特性和稳定性,在整个液体温程内测定离子液体基集热纳米流体的导热系数、比热容、粘度、吸光光谱和消光系数等的物性数据，测定离子液体基集热纳米流体的光热转化性能，揭示纳米材料种类、微观结构、尺寸、形状以及添加体积分率等参数对离子液体基集热纳米流体特性和光热转化性能的影响规律,掌握系统调控离子液体集热纳米流体性能的手段，研究所得的高性能离子液体集热纳米流体的传热性能。本项目的研究将提供新型的高性能集热纳米流体，推进直接吸收太阳能集热器乃至太阳能热发电的发展。

集热器是太阳能热利用系统的重要部件，其性能决定着太阳能利用效率的高低。直接吸收式集热器是一类因热损失较低而有望获得高性能的新型集热器。本项目致力于为该类新型集热器开发高性能的集热流体作为其工作介质。针对中高温直接吸收式集热器，开展了以离子液体为基液的纳米流体研究；考察了铜、镍以及碳包镍等纳米粒子种类对离子液体基纳米流体的辐射性能的影响，得出镍纳米流体的光吸收性能高于铜纳米流体，而碳包镍纳米流体的性能又高于镍纳米流体；考察了石墨纳米粒子、单壁碳纳米管以及石墨烯等不同维度的碳纳米材料对离子液体基纳米流体的光吸收特性和光热转化性能的影响，发现石墨烯纳米流体的各项性能最优；为了提升石墨烯/离子液体纳米流体的分散稳定性，创新性地先依据所用离子液体的分子结构对石墨烯进行改性，通过在石墨烯上接枝相似的分子链，提高了石墨烯与离子液体的相容性，研究表明改性石墨烯/离子液体纳米流体具有良好的分散稳定性；采用实验研究和理论计算相结合的方法，对基于改性石墨烯/离子液体纳米流体的直接吸收式集热器进行了系统优化；为了提高集热流体的蓄热能力，将相变材料引入集热流体中，制备了纳米石墨粉改性三聚氰胺-甲醛相变微胶囊以及氧化石墨烯改性二元化硅相变微胶囊及其悬浮液，将纳米石墨粉分散到相变乳液中制备出了纳米石墨粉改性相变乳液，研究了这些新型集热流体的光吸收特性和光热转化性能，结果表明它们是兼集热、储热、传热三种功能于一体的新型流体；为了推进直接吸收式集热器的实用化进程，配制了分散稳定性优异的氧化石墨烯/水纳米流体，并通过紫外光照法制备了还原氧化石墨烯/水纳米流体，研究表明它们具有良好的光吸收特性和光热转化性能，基于这些水基纳米流体的低温直接吸收式集热器具有应用前景。本项目研究成果不仅有力推进了集热流体的发展，而且还为提高传热流体性能提供了依据，对热能利用效率提升以及可再生能源和新能源开发利用具有重要参考价值。