利用太阳能集热技术产生温度为80-250℃左右的中温蒸汽,用于驱动制冷空调、有机朗肯循环发电、海水淡化以及工业加热等,具有巨大的节能潜力和应用前景。目前我国太阳能热利用主要集中在采用玻璃真空管、平板式集热器的低温热水系统,而在中温区的应用很少。常规的太阳能中温集热装置存在吸热管的玻璃与金属封接工艺难、吸收涂层的高温耐久性不高等缺陷,特别是对于太阳能直接蒸汽发生装置,蒸发管内两相流型的剧烈变化更容易导致集热管沿周向温差增大,热应力导致玻璃管破裂,导致设备制造和运行维护成本高,严重限制了其应用推广。因此,高性能的太阳能中温蒸汽发生技术的研究显得尤为重要和迫切。本文提出了一种纳米流体集热式太阳能集热蒸汽发生器(NSVG),采用双层透明无涂层真空玻璃集热管,管内同轴放置蒸发套管,二者之间充灌具有很强光辐射吸收性能的纳米流体,用于直接吸收太阳能,同时将收集的热量加热工作流体产生蒸汽。在对石墨烯/导热油纳米流体的热物性以及光谱吸收特性的研究基础上,重点开展了非均匀聚光条件下纳米流体集热、传热及蒸汽发生特性的模拟研究,主要工作如下:(1)在对纳米流体集热-传热过程机理分析基础上,根据太阳能蒸汽发生器的热平衡原理建立了NSVG的集热-传热数学模型,将透过双层玻璃并被纳米流体吸收的太阳能辐射集热过程等效于流体内部的不均匀“内热源”,与传热过程相耦合。同时,建立了传统带吸收涂层的蒸汽发生器(SVG)的集热-传热数学模型进行对比。(2)配制了四种不同质量分数的石墨烯/导热油纳米流体,实验测得了纳米流体的热导率、粘度等基础热物性,并得到了纳米流体的物性拟合公式;测试分析了纳米流体的辐射吸收特性,计算得出了太阳能全光谱范围的平均吸收系数。(3)基于建立的数学模型与测得的纳米流体物性,对新型NSVG和传统SVG的中温集热与蒸汽发生性能进行了CFD模拟及对比分析。结果表明:非均匀聚光条件下,NSVG中纳米流体温度分布更加均匀,集热管内管壁面温差明显降低,纳米流体与蒸发工质间的传热得到强化;蒸汽发生温度在一定范围内时,NSVG的集热效率高于传统SVG。其次,归纳了纳米流体浓度、太阳辐射强度、蒸发套管直径、蒸汽发生温度等因素对NSVG集热性能的影响规律,给出了纳米流体浓度、集热管结构的优选方案,以提高装置热性能。