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一种基于石墨烯纳米 流体的防沉淀型 太阳能光热系统及其控制方法

阅读：1026发布：2020-05-28

专利汇可以提供一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统及其控制方法，该系统配备的储液罐中加入发射器、检测器和搅拌装置，发射器定时发射光束，在传输过程中经过纳米流体的吸收、反射和散射后的光线照射到检测器上，通过透射光的透射率来调控搅拌装置的运行，当纳米流体的透射率高于设定的上限值后通过控制器开启搅拌装置使将要团聚沉淀的部分颗粒分散，重新形成较稳定的悬浮液；当透射率低于或等于纳米流体初始透射率时则通过控制器关闭搅拌装置，由此达到节能效果。本发明可以更好地实现基于纳米流体的光伏集热，提高综合利用效率，为石墨烯纳米流体在实际使用过程中稳定性差的问题提供有效的解决方案。，下面是一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统及其控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，其特征在于，包括储液罐(3)、太阳能集热器(14)、热交换器(16)和控制器(17)，所述储液罐(3)、太阳能集热器(14)和热交换器(16)按顺序连接形成纳米流体循环回路；
所述储液罐(3)包括从上到下依次设置的罐盖(31)、上罐体(32)和下罐体(33)，所述罐盖(31)与上罐体(32)、所述上罐体(32)与下罐体(33)分别通过密封卡扣(9)连接，且上罐体(32)与下罐体(33)内部相通，所述罐盖(31)、上罐体(32)和下罐体(33)均包括金属外壁、玻璃内壁以及位于金属外壁、玻璃内壁之间的中空层，所述罐盖(31)上设有排气口(1)、进液口(2)和循环系统入口(6)，所述循环系统入口(6)与所述热交换器(16)的纳米流体出口连接，所述下罐体(33)底部设有排液口(11)和循环系统出口(5)，所述循环系统出口(5)与所述太阳能集热器(14)的输入端连接，所述上罐体(32)中空层中下部的两侧对称设置有发射器(4)和光束检测器(7)，所述下罐体(33)内部中间设置有搅拌装置(8)，所述搅拌装置(8)的下端伸出所述下罐体(33)并与设置在储液罐(3)外部的电机(12)输出轴传动连接，所述发射器(4)、光束检测器(7)和电机(12)分别与所述控制器(17)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，其特征在于，所述储液罐(3)与所述太阳能集热器(14)之间的管路上还设有流量调节泵(13)，所述热交换器(16)与所述储液罐(3)之间的管路上还设有纳米流体循环泵(19)。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，其特征在于，所述储液罐(3)、太阳能集热器(14)和热交换器(16)中流体工质的进出管路上分别设有蝶阀(15)。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，其特征在于，在所述储液罐(3)的底部设有承重支架(10)。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，其特征在于，所述热交换器(16)上还设有冷却液进出口，所述冷却液进出口与冷却液循环系统按顺序连接形成冷却回路，所述热交换器(16)通过管路连接热量输出系统(18)。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，其特征在于，所述罐盖(31)呈向上凸起的半球形结构，所述上罐体(32)呈圆柱形结构，所述下罐体(33)呈向下凸起的半球形结构。
7.一种权利要求1所述的基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，初始光的透射率为T0，通过控制器(17)预先设定光透射率允许变化区间ΔT和采样周期t；
第二步，通过进液口(2)向储液罐(3)内添加石墨烯纳米流体，开启流量调节泵(13)、纳米流体循环泵(19)和各管路上的蝶阀(15)，同时开启发射器(4)发射一定强度的光束，光束通过纳米流体；
第三步，光束检测器(7)接收通过纳米流体后的光强度信号，将接收到的多组光强度信息构建成光强数据矩阵，并将信息传送给控制器(17)；
第四步，控制器(17)接收到光强数据矩阵，对其进行计算分析，得到光透射率Ti，对光透射率Ti进行判断，若透射率Ti大于等于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT，则进行第五步，否则进行第六步；
第五步，当透射率Ti大于等于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT时，判断为此时的石墨烯纳米流体在储液罐(3)底部发生聚集，控制器(17)启动电机(12)，搅拌装置(8)开始运行，此时控制器(17)内计数器收到信号，i＝i+1，并且在间隔t时间后重新开始采样，进行第二步；
第六步，当透射率Ti小于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT时，再次判断是否低于初始光的透射率T0，若否，则将纳米流体此时状态输出给用户，并且将信号传递到控制器(17)内的计数器，计数器收到信号，i＝i+1，并且在间隔t时间后重新开始采样，进行第二步；若是，则进行第五步。

说明书全文

一种基于石墨烯纳米 流体的防沉淀型 太阳能光热系统及其控

制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及太阳能集热技术领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统。

背景技术

[0002] 随着能源危机和环境污染的问题日渐严重，迫切需要开发高效清洁能源利用方法，太阳能作为一种可持续清洁能源受到广泛关注。但是太阳能在空间和时间上的不连续性导致太阳能利用困难，基于这个背景提出了太阳能光热利用技术，其基本原理就是将太阳辐射能通过集热系统吸收并转化为热能加以利用，能够有效的转换太阳能并加以利用。但是目前太阳能换热器中的工质多为水，传热性能较差，最新的研究表明利用纳米流体作为工质的太阳能换热器能够有效提高太阳能换热效率，降低光热转换过程中的热损失。

[0003] 纳米流体是一种将纳米颗粒按照一定的方式和比例均匀地分散在液体中所形成的稳定悬浮液。纳米流体与传统基液相比，其导热性能有大幅提高的特性，对提高能源利用率具有重大意义。但是，由于部分纳米颗粒(如石墨烯等)比表面积大、化学活性高，使其具有很高的表面能，所以纳米粒子易于发生团聚，形成若干弱连接界面的较大团聚体。团聚造成的沉淀现象会导致太阳能集热板对光能的吸收减弱，堵塞管路等问题，从而使得实际工作效率与理想状态相差过大，不能充分发挥纳米流体的换热优势。如何通过装置和有效的控制策略解决纳米流体的沉淀问题是新型太阳能换热器亟待解决的关键性科学问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，改进石墨烯纳米流体易于沉淀的特质，解决石墨烯纳米流体在实际使用过程中稳定性差的问题。

[0005] 本发明的另一目的是提供上述基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统的控制方法，实现自动化控制。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，包括储液罐、太阳能集热器、热交换器和控制器，所述储液罐、太阳能集热器和热交换器按顺序连接形成纳米流体循环回路；

[0007] 所述储液罐包括从上到下依次设置的罐盖、上罐体和下罐体，所述罐盖与上罐体、所述上罐体与下罐体分别通过密封卡扣连接，且上罐体与下罐体内部相通，所述罐盖、上罐体、下罐体均包括金属外壁、玻璃内壁以及位于金属外壁、玻璃内壁之间的中空层，所述罐盖上设有排气口、进液口和循环系统入口，所述循环系统入口与所述热交换器的纳米流体出口连接，所述下罐体底部设有排液口和循环系统出口，所述循环系统出口与所述太阳能集热器的输入端连接，所述上罐体中空层中下部的两侧对称设置有发射器和光束检测器，所述下罐体内部中间设置有搅拌装置，所述搅拌装置的下端伸出所述下罐体并与设置在储液罐外部的电机输出轴传动连接，所述发射器、光束检测器和电机分别与所述控制器电连接。

[0008] 进一步地，所述储液罐与所述太阳能集热器之间的管路上还设有流量调节泵，所述热交换器与所述储液罐之间的管路上还设有纳米流体循环泵。

[0009] 进一步地，所述储液罐、太阳能集热器和热交换器中流体工质的进出管路上分别设有蝶阀。

[0010] 进一步地，在所述储液罐的底部设有承重支架。

[0011] 进一步地，所述热交换器上还设有冷却液进出口，所述冷却液进出口与冷却液循环系统按顺序连接形成冷却回路，所述热交换器通过管路连接热量输出系统。

[0012] 优选的，所述罐盖呈向上凸起的半球形结构，所述上罐体呈圆柱形结构，所述下罐体呈向下凸起的半球形结构。

[0013] 本发明还提供上述基于石墨烯纳米流体的防沉淀太阳能光热系统的控制方法，具体步骤如下：

[0014] 第一步，初始光的透射率为T0，通过控制器预先设定光透射率允许变化区间ΔT和采样周期t；

[0015] 第二步，通过进液口向储液罐内添加石墨烯纳米流体，开启流量调节泵、纳米流体循环泵和各管路上的蝶阀，同时开启发射器发射一定强度的光束，光束通过纳米流体；

[0016] 第三步，光束检测器接收通过纳米流体后的光强度信号，将接收到的多组光强度信息构建成光强数据矩阵，并将信息传送给控制器；

[0017] 第四步，控制器接收到光强数据矩阵，对其进行计算分析，得到光透射率 Ti，对光透射率Ti进行判断，若透射率Ti大于等于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT，则进行第五步，否则进行第六步；

[0018] 第五步，当透射率Ti大于等于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT时，判断为此时的石墨烯纳米流体在储液罐底部发生聚集，控制器启动电机，搅拌装置开始运行，此时控制器内计数器收到信号，i＝i+1，并且在间隔t时间后重新开始采样，进行第二步；

[0019] 第六步，当透射率Ti小于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT时，再次判断是否低于初始光的透射率T0，若否，则将纳米流体此时状态输出给用户，并且将信号传递到控制器内的计数器，计数器收到信号，i＝i+1，并且在间隔t时间后重新开始采样，进行第二步；若是，则进行第五步。

[0020] 与现有技术相比，本发明在配备的储液罐中加入发射器、检测器和搅拌装置，发射器定时发射光束，在传输过程中经过纳米流体的吸收、反射和散射后的光线照射到检测器上，通过透射光的透射率来调控搅拌装置的运行。当纳米流体的透射率高于设定的上限值后通过控制器开启搅拌装置使将要团聚沉淀的部分颗粒分散，重新形成较稳定的悬浮液；当透射率低于或等于纳米流体初始透射率时则通过控制器关闭搅拌装置，由此达到节能效果。本发明可以更好地实现基于纳米流体的光伏集热，提高综合利用效率，解决了石墨烯纳米流体在实际使用过程中稳定性差的问题。
附图说明

[0021] 图1是本发明的系统组成示意图；

[0022] 图2是本发明装置中储液罐结构示意图；

[0023] 图3是本发明装置中储液罐内部结构剖面示意图；

[0024] 图4是本发明方法控制流程图；

[0025] 图1中：1、排气口；2、进液口；3、储液罐；31、罐盖；32、上罐体；33、下罐体；4、发射器；5、循环系统出口；6、循环系统入口；7、光束检测器；8、搅拌装置；9、密封卡扣；10、承重支架；11、排液口；12、电机；13、流量调节泵；14、太阳能集热器；15、蝶阀；16、热交换器；17、控制器；18、热量输出系统；19、纳米流体循环泵。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0027] 如图1所示，一种基于石墨烯纳米流体的防沉淀型太阳能光热系统，包括储液罐3、太阳能集热器14、热交换器16和控制器17，所述储液罐3、太阳能集热器14和热交换器16按顺序连接形成纳米流体循环回路。

[0028] 如图1至图3所示，所述储液罐3包括从上到下依次设置的罐盖31、上罐体32和下罐体33，所述罐盖31呈向上凸起的半球形结构，所述上罐体32呈圆柱形结构，所述下罐体33呈向下凸起的半球形结构，所述罐盖31与上罐体32、所述上罐体32与下罐体33分别通过密封卡扣9连接，可拆卸以便定期清洗维修；且上罐体32与下罐体33内部相通，所述罐盖31、上罐体32和下罐体33均包括金属外壁、玻璃内壁以及位于金属外壁、玻璃内壁之间的中空层，所述罐盖 31上设有排气口1、进液口2和循环系统入口6，排气口1用于系统在工作时内部气体排出，避免储液罐内压力过高，进液口2用于添加石墨烯纳米流体，所述循环系统入口6与所述热交换器16的纳米流体出口连接，所述下罐体33底部设有排液口11和循环系统出口5，所述循环系统出口5与所述太阳能集热器14的输入端连接，所述上罐体32中空层中下部的两侧对称设置有发射器4和光束检测器7，发射器4和光束检测器7用于检测纳米流体的沉淀情况和采集透射率，所述下罐体33内部中间设置有搅拌装置8，所述搅拌装置8的下端伸出所述下罐体33并与设置在储液罐3外部的电机12输出轴传动连接，所述发射器4、光束检测器7和电机12分别与所述控制器17电连接。

[0029] 所述储液罐3与所述太阳能集热器14之间的管路上还设有流量调节泵13，所述热交换器16与所述储液罐3之间的管路上还设有纳米流体循环泵19。

[0030] 所述储液罐3、太阳能集热器14和热交换器16中流体工质的进出管路上分别设有蝶阀15。

[0031] 在所述储液罐3的底部设有承重支架10，用于支撑储液罐3。

[0032] 所述热交换器16上还设有冷却液进出口，所述冷却液进出口与冷却液循环系统按顺序连接形成冷却回路。

[0033] 所述热交换器16通过管路连接热量输出系统18，石墨烯纳米流体流经太阳能集热器14时，接受光照温度升高，高温纳米流体流入热交换器16中，其中由冷却液循环系统提供了冷却液，冷却热交换器16中的纳米流体，再由纳米流体循环泵19将热交换器11中的纳米流体泵入储液罐3中，完成一个循环，热交换器16将纳米流体携带的热量输出。

[0034] 所述排气口1处设有排气阀，控制储液罐内部的气体排放；所述进液口2 处设有止回阀，防止纳米流体回流；所述排液口11处设有节流阀，控制纳米流体流出的流速、流量等参数。

[0035] 发射器发射一定强度的光束，光束通过石墨烯纳米流体时，流体中的石墨烯纳米颗粒可吸收部分光。当纳米颗粒团聚沉淀于储液罐底部时，则吸收光的能力削弱，储液罐的中部位置透过的光越多，因此可将透射光的强度作为判断纳米颗粒团聚沉淀的依据。如图4所示，具体控制步骤如下：

[0036] 第一步，初始光的透射率为T0，通过控制器17预先设定光透射率允许变化区间ΔT和采样周期t；

[0037] 第二步，通过进液口2向储液罐3内添加石墨烯纳米流体，开启流量调节泵 13、纳米流体循环泵19和各管路上的蝶阀15，同时开启发射器4发射一定强度的光束，光束通过纳米流体；

[0038] 第三步，光束检测器7接收通过纳米流体后的光强度信号，将接收到的多组光强度信息构建成光强数据矩阵，并将信息传送给控制器17；

[0039] 第四步，控制器17接收到光强数据矩阵，对其进行计算分析，得到光透射率Ti，对光透射率Ti进行判断，若透射率Ti大于等于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT，则进行第五步，否则进行第六步；

[0040] 第五步，当透射率Ti大于等于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT时，判断为此时的石墨烯纳米流体在储液罐3底部发生聚集，控制器17启动电机12，搅拌装置8开始运行，此时控制器17内计数器收到信号，i＝i+1，并且在间隔t 时间后重新开始采样，进行第二步；

[0041] 第六步，当透射率Ti小于初始光的透射率T0允许变化区间ΔT时，再次判断是否低于初始光的透射率T0，若否，则将纳米流体此时状态输出给用户，并且将信号传递到控制器17内的计数器，计数器收到信号，i＝i+1，并且在间隔t 时间后重新开始采样，进行第二步；
若是，则进行第五步。

[0042] 当系统运行时，发射器4定时发射光束，在传输过程中经过纳米流体的吸收、反射和散射后的光线照射到光束检测器7上，通过控制器17来调控搅拌装置8 的运行。当透射率高于设定的上限阈值后通过控制器17开启搅拌装置8使将要团聚沉淀的部分颗粒分散重新形成较稳定的悬浮液，当透射率低于或等于设定的下限阈值后，控制器17关闭搅拌装置，以达到节能的目的。用户可在控制器17 设定发射光的间隔时间、搅拌装置的转速和透射率的上限阈值和下限阈值，满足个性化的使用需求。

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