CN101526272A - 太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能集热器，该太阳能集热器包括一上基板、一下基板、一吸热层、一边框支架和多个支撑物。所述上基板和所述下基板相对设置。所述边框支架设置于所述上基板和下基板之间。所述上基板、下基板及边框支架共同构成一空腔。所述吸热层设置于所述下基板位于所述空腔内的上表面。所述多个支撑物间隔地设置于所述空腔内，并分别与所述上基板和吸热层相接触。所述吸热层为一碳纳米管结构。

Description

太阳能集热器

技术领域

本发明涉及一种太阳能集热器。

背景技术

随着现代工业和社会的发展，人类社会对于资源和能源的依赖日益加强。而众所周知，地球上的资源和能源是有限的，所以在各种经济、政治、科学研究活动中，资源和能源的问题成了首要问题。而由于部分资源可以通过一些人为的过程加以回收再利用。因此，能源的问题更为突出。太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，也是最廉价的，最洁净的，最有发展前途的能源。太阳能电池和太阳能集热器是直接利用和吸收太阳能的主要方式。与太阳能电池相比较，太阳能集热器的效率较高，远高于其它太阳能利用的方式。但目前太阳能集热器由于受结构和材料等方面的因素局限，应用范围和领域还比较窄。

现在广泛应用的太阳能集热器分为太阳能管式集热器(请参见真空管太阳能家用热水器及其东西向和南北向放置的比较，太阳能学报，吴家庆等，vol9，p396-405(1988))和太阳能板式集热器两种。请参阅图1，为现有技术中太阳能管式集热器300，包含一放置在地面上的座体30、一装设在该座体30一侧的储水桶32、以及连接所述座体30另一侧与所述储水桶32之间的真空吸热管34。当该真空吸热管34接收到太阳能后，利用冷水比热水比重大的原理，而产生冷水下流、热水上升现象，进而使所述真空吸热管34内的液体达到自然对流循环加热，具有良好的保温性。然而，当太阳光照射到所述真空吸热管34时，会因该真空吸热管34的圆管曲线，而将光能反射到其他地方，造成有效集热面积变小、导热效率不佳。而且，所述真空吸热管34的内侧会生成水垢，所以需要定期清洁、保养，以维持良好的热传导效率，不但费时而且费力。

太阳能板式集热器的出现克服了所述太阳能管式集热器300中出现的问题。请参阅图2，现有技术中的太阳能板式集热器500包含一上基板50、一下基板52、边框支架56和多个支撑物58。其中，所述上基板50为一透光基板，下基板52为一吸热板，由铜、铝合金(要求防锈铝)、不锈钢、锌等材料制成。所述上基板50和下基板52构成一空腔60，该空腔60的两侧设有边框支架56。所述上基板50和下基板52之间设置有多个支撑物58。

然而，所述下基板52的制备过程，需要在较高的真空绝热环境下进行，并要加热到较高的温度，生产工艺复杂。因此，使得下基板52的制备过程中的成本较高，从而相应地使得所述太阳能板式集热器500的成本较高，不适于大面积普及推广应用，而且所述太阳能板式集热器500对太阳能的转化效率较低。

因此，确有必要提供一种太阳能集热器，所得到的太阳能集热器对太阳能具有较高的转化效率，且制备过程中的成本较低、适于大面积普及推广应用。

发明内容

一种太阳能集热器包括一上基板、一下基板、一吸热层、一边框支架和多个支撑物。所述上基板和所述下基板相对设置。所述边框支架设置于所述上基板和下基板之间。所述上基板、下基板及边框支架共同构成一空腔。所述吸热层设置于所述下基板位于所述空腔内的上表面。所述多个支撑物间隔地设置于所述空腔内，并分别与所述上基板和吸热层相接触。所述吸热层为一碳纳米管结构。

与现有技术相比较，所述太阳能集热器具有以下优点：其一，由于碳纳米管具有良好的吸热性，故，采用碳纳米管结构作吸热层，可提高太阳能集热器对太阳能的能量转化效率，对太阳能吸收均匀。其二，由于碳纳米管结构的制备过程中的成本较低，故，采用碳纳米管结构作吸热层，适于大面积普及推广应用。

附图说明

图1是现有技术中的太阳能管式集热器的结构示意图。

图2是现有技术中的太阳能板式集热器的结构示意图。

图3是本技术方案实施例的太阳能集热器的侧视结构示意图。

图4是本技术方案实施例的太阳能集热器的俯视结构示意图。

图5是是图3中的部分有序碳纳米管层III的放大示意图。

图6是本技术方案实施例的太阳能集热器中吸热层对太阳光的吸收率随吸热层厚度的变化图。

图7是本技术方案实施例的太阳能集热器中吸热层对太阳光的透射谱和反射谱。

图8是本技术方案实施例的太阳能集热器中吸热层对太阳光的吸收谱。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本技术方案太阳能集热器及其制备方法。

请参阅图3及图4，本技术方案实施例提供一种太阳能集热器100包括一上基板10、一下基板12、一吸热层14、一边框支架16和多个支撑物18。所述上基板10和所述下基板12相对设置。所述边框支架16设置于所述上基板10和下基板12之间。所述上基板10、下基板12及边框支架16共同构成一空腔20。所述吸热层14设置于所述下基板12位于所述空腔20内的上表面121。所述多个支撑物18间隔地设置于所述空腔20内，并分别与所述上基板10和吸热层14相接触。所述吸热层14为一碳纳米管结构。

所述上基板10为一透光基板，该上基板10采用透明材料制成，如玻璃、塑料、透明陶瓷、高分子透明材料等。所述上基板10的厚度为100微米～5毫米，优选为3毫米。所述上基板10的形状不限，可以是三角形、六边形、四边形等。

所述下基板12为一集热基板，该下基板12可采用玻璃制成，或者采用导热性能较好的材料制成，如锌、铝或者不锈钢等。所述下基板12的厚度为100微米～5毫米，优选为3毫米。所述下基板12的形状不限，可以是三角形、六边形、四边形等。

所述边框支架16可采用玻璃等材料制成。所述边框支架16的高度为100微米～500微米，优选为150微米～250微米。

所述空腔20内为真空绝热环境，抑制空气的自然对流，从而减少所述太阳能集热器100中对流换热的损失，起到保温作用，从而大大提高所述太阳能集热器100的热效率。所述空腔20内也可以不采取真空的环境，还可以在其中形成一种能够透光且保温的间隔层，该间隔层填充整个空腔，可以由透明的泡沫型材料如耐热塑料制成，也可以采用一些导热效果较差的气体如氮气充当间隔层。

所述吸热层14为一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括无序碳纳米管层、有序碳纳米管层或者碳纳米管复合材料层。该碳纳米管结构中碳纳米管均匀分布，可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或者多壁碳纳米管。当碳纳米管结构中的碳纳米管为单壁碳纳米管时，该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米。当碳纳米管结构中的碳纳米管为双壁碳纳米管时，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米。当碳纳米管结构中的碳纳米管为多壁碳纳米管时，该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管结构包括黑色的纳米材料即碳纳米管，利用碳纳米管稳定性好和导热率高的优异特性，所述碳纳米管结构对于太阳光有较好的吸收特性。所述太阳能集热器100中吸热层14对太阳光的吸收率随吸热层14厚度的增加而增加，即所述吸热层14的厚度越厚，对于太阳光的吸收效率越高。所述吸热层14的厚度大于3微米。

所述无序碳纳米管层包括多个无序排列的碳纳米管。该碳纳米管在无序碳纳米管层中相互缠绕或者各向同性。

所述有序碳纳米管层包括多个有序排列的碳纳米管，该碳纳米管沿固定方向择优取向排列。所述的多个碳纳米管在该有序碳纳米管层中平行于所述有序碳纳米管层的表面排列，且沿同一方向或者沿多个方向择优取向排列。

所述碳纳米管复合材料层包括导电金属微粒、低熔点玻璃、有机载体及多个碳纳米管。该碳纳米管在所述碳纳米管复合材料层中无序排列且均匀分布。所述碳纳米管复合材料层中碳纳米管的含量为80％以上。

本实施例中，所述吸热层14为有序碳纳米管层，优选采用至少一有序碳纳米管薄膜作为吸热层14。请参阅图5，该有序碳纳米管薄膜通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得。该有序碳纳米管薄膜包括沿同一方向定向排列的碳纳米管。具体地，所述有序碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且长度相等的碳纳米管束141。所述碳纳米管束141的两端通过范德华力相互连接。每个碳纳米管束141包括多个长度相等且平行排列的碳纳米管142。所述相邻的碳纳米管142之间通过范德华力紧密结合。所述有序碳纳米管薄膜是由碳纳米管阵列经进一步处理得到的，故其长度与宽度和碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关。可根据实际需求制得。本实施例中，采用气相沉积法在4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列。所述有序碳纳米管薄膜的宽度可为0.01厘米～10厘米，厚度为10纳米～100微米。采用该有序碳纳米管薄膜作为所述太阳能集热器100的吸热层，对太阳光可以均匀吸收。

可以理解，所述吸热层14可以进一步包括至少两个重叠设置的有序碳纳米管薄膜。相邻的两个有序碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向排列或沿不同方向排列，具体地，相邻的两个有序碳纳米管薄膜中的碳纳米管具有一交叉角度α，且0度≤α≤90度，具体可依据实际需求制备。可以理解，由于吸热层14中的有序碳纳米管薄膜可重叠设置，故，上述吸热层14的厚度不限，可根据实际需要制成具有任意厚度的吸热层14。请参阅图6，为太阳能集热器100中吸热层14为有序碳纳米管薄膜时，该吸热层14对太阳光的吸收率随吸热层14厚度的变化图，从图6中可以看出，所述吸热层14的吸收率随厚度的增加而增加。当吸热层14的厚度为10微米时，该吸热层14对于太阳光的吸收效率可以达到96％。

所述有序碳纳米管薄膜是由碳纳米管阵列经进一步处理得到的，其长度和宽度可以较准确地控制。该有序碳纳米管薄膜中碳纳米管首尾相连，且长度相等并均匀、有序分布。将所述有序碳纳米管薄膜用作吸热层14时，可提高所述太阳能集热器的吸热效率。进一步，所述碳纳米管薄膜具有韧性，可以弯折成任意形状，方便制成各种形状的太阳能集热器，适于大面积普及推广应用。

请参阅图7，为采用有序碳纳米管薄膜作为所述太阳能集热器100中吸热层14时，有序碳纳米管薄膜的透射谱和反射谱。有序碳纳米管薄膜对太阳光的总能量可以分为吸收、透射和反射三部分。从图7中可以看出，有序碳纳米管薄膜对于波长范围在360纳米～860纳米的太阳光，都具有较低的透射率和反射率，由此可见，93％-98％的太阳能都被有序碳纳米管薄膜所吸收。请参阅图8，为根据图6所得测量结果计算出来的所述太阳能集热器100中有序碳纳米管薄膜的吸收效率。从图中可以看出，有序碳纳米管薄膜对于太阳能具有93％-98％的吸收效率。

所述多个支撑物18用于抵抗大气压力，加强所述太阳能集热器100的牢固性。所述支撑物18的高度和所述边框支架16的高度相同。所述支撑物18是由吸热性较弱的材料制成，如玻璃。该支撑物18的形状不限，可以为玻璃珠或者玻璃丝等。

另外，所述太阳能集热器100为一平板型结构。所述太阳能集热器100还可制成其他的各种形状，比如柱面、球面等多种曲面形式。所述太阳能集热器100可以广泛应用在建筑结构的外墙上，从而实现为建筑物内部的供暖。所述太阳能集热器100的上基板10和下基板12可以方便地制成各种形状，起到装饰的作用。

所述太阳能集热器100可进一步包括一反射层22，该反射层22设置于所述上基板10的下表面101，厚度为10纳米～1微米。所述反射层22为一红外反射层，如氧化铟锡薄膜或者一碳纳米管结构。该碳纳米管结构包括无序碳纳米管薄膜、有序碳纳米管薄膜或者碳纳米管复合材料层。所述反射层22对于紫外光、可见光和近红外光是透明的，具有非常好的透过紫外光、可见光及近红外光、并反射远红外光的特点，从而可以减少所述太阳能集热器100对太阳能能量的辐射损失，增大该太阳能集热器100对太阳能的能量转化效率。所述反射层22和所述吸热层14可以均为碳纳米管结构，但所述反射层22的厚度比所述吸热层的厚度小，以保证大部分可见光及近红外光透过该反射层22。

进一步，还可以将一循环液流层24设置于所述太阳能集热器100的下基板12的下表面121，如将温度较低的水或者乙二醇等液体作为循环液。所述太阳能集热器100可以直接把水加热作为热水使用，或者将热量带走作为其它的应用，比如海水淡化、制冷、发电等。

所述太阳能集热器100在太阳光透过所述透光的上基板10后照射到所述吸热层14，由于该吸热层14包括黑色的纳米材料即碳纳米管，利用碳纳米管稳定性好和导热率高的优异特性，故所述吸热层14对于太阳光的各种波长都具有比较好的吸收特性。其中，2％-7％的太阳辐射会被所述吸热层14反射和透射，93％-98％的太阳辐射会被所述吸热层14吸收，并转变为热能，然后通过所述集热的下基板12将热能传给所述循环液流层24。若在所述太阳能集热器100的上基板10的下表面101上设置一反射层22，通过所述吸热层14并被该吸热层14反射和透射的太阳辐射能，会被所述反射层22反射回所述吸热层14，可以减少所述太阳能集热器100对太阳能能量的辐射损失，提高将热能传给所述循环液流层24的效率。

所述太阳能集热器具有以下优点：其一，由于碳纳米管具有良好的吸热性，故，采用碳纳米管结构作吸热层，可提高太阳能集热器对太阳能的能量转化效率，对太阳能吸收均匀。其二，由于碳纳米管结构制备过程中的成本较低，故，采用碳纳米管结构作吸热层，适于大面积普及推广应用。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种太阳能集热器，其包括：

一上基板；

一下基板，该下基板与所述上基板相对设置；

一边框支架，该边框支架设置于所述上基板和下基板之间，并与所述上基板和下基板共同构成一空腔；

多个支撑物，该多个支撑物间隔地设置于所述空腔内，并分别与所述上基板和下基板相接触；

其特征在于，所述太阳能集热器进一步包括一吸热层，该吸热层为一碳纳米管结构，并设置于所述下基板位于所述空腔内的上表面。

2.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管结构包括均匀分布的碳纳米管，该吸热层的厚度大于3微米。

3.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述太阳能集热器进一步包括一反射层，该反射层的厚度为10纳米～1微米，并设置于所述上基板的下表面。

4.如权利要求3所述的太阳能集热器，其特征在于，所述反射层为氧化铟锡薄膜或者碳纳米管结构。

5.如权利要求1或4所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管结构包括无序碳纳米管层、有序碳纳米管层或者碳纳米管复合材料层。

6.如权利要求5所述的太阳能集热器，其特征在于，所述无序碳纳米管层包括多个无序排列的碳纳米管。

7.如权利要求5所述的太阳能集热器，其特征在于，所述有序碳纳米管层包括多个有序排列的碳纳米管。

8.如权利要求5所述的太阳能集热器，其特征在于，所述有序碳纳米管层包括至少一有序碳纳米管薄膜，该有序碳纳米管薄膜通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得。

9.如权利要求8所述的太阳能集热器，其特征在于，所述有序碳纳米管薄膜包括沿不同方向排列或沿同一方向排列的碳纳米管。

10.如权利要求8所述的太阳能集热器，其特征在于，所述有序碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且长度相等的碳纳米管束，该碳纳米管束的两端通过范德华力相互连接，每个碳纳米管束包括多个长度相等且平行排列的碳纳米管。

11.如权利要求9所述的太阳能集热器，其特征在于，所述有序碳纳米管层包括至少两个重叠设置的有序碳纳米管薄膜，相邻的两个有序碳纳米管薄膜中的碳纳米管具有一交叉角度α，且0度≤α≤90度。

12.如权利要求5所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管复合材料层包括导电金属微粒、低熔点玻璃、有机载体及多个碳纳米管。

13.如权利要求1或4所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管结构中的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或者多壁碳纳米管。

14.如权利要求13所述的太阳能集热器，其特征在于，所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。

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