CN101556088A - 太阳能集热器 - Google Patents
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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。所述吸热层包括一碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个通过范德华力相互吸引、相互缠绕的碳纳米管。
Description
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的圆管曲线排布，造成有效集热面积变小。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，由玻璃或者塑料等透明材料制成。下基板52为一吸热板，由铜、铝合金(要求防锈铝)、不锈钢或锌等材料制成。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，为了防止所述下基板52在制备的过程中被氧化，该下基板52需要在较高的真空绝热环境下进行制备，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。另外，所述太阳能板式集热器500中下基板52本身也作为吸热层，故下基板52的材料必须是吸热材料，而现有的吸热材料制成的下基板52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。所述吸热层包括一碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个通过范德华力相互吸引、相互缠绕的碳纳米管。
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，采用碳纳米管薄膜作吸热层，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，由于碳纳米管薄膜的制备的成本较低，故，采用碳纳米管薄膜作吸热层，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是本技术方案实施例的碳纳米管薄膜的制备方法的流程示意图。
图6是本技术方案实施例获得的碳纳米管絮状结构的照片。
图7是本技术方案实施例获得的预定形状的碳纳米管薄膜的照片。
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。
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至少设置于所述下基板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包括一碳纳米管薄膜。
所述上基板10为一透光基板，用于透过太阳光。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，可依据需求制成任意形状。
所述下基板12与上基板10相对设置。该下基板12为一集热基板，用于收集并传递太阳光的能量。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，可依据需求制成任意形状。
所述边框支架16可采用玻璃等材料制成。所述边框支架16的宽度不限，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。另外，所述空腔20内也可以不采取真空的环境，可以在所述空腔20中设置一种能够透光且保温的间隔层(图未示)，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包括一碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个通过范德华力相互吸引、相互缠绕的碳纳米管。该碳纳米管薄膜为各向同性，其中的多个碳纳米管为均匀分布、无规则排列。因此，使得该碳纳米管薄膜具有很好的韧性，可以用于制作各种形状的太阳能集热器，适于大面积普及推广应用。
所述碳纳米管薄膜中碳纳米管可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或者多壁碳纳米管。当碳纳米管薄膜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。当碳纳米管薄膜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。当碳纳米管薄膜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。所述碳纳米管薄膜中碳纳米管具有良好的吸光特性和导热率高的优异特性，故，所述碳纳米管薄膜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对太阳光的吸收效率随吸热层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。优选地，所述吸热层14的厚度为3微米～2毫米。
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，可以为小珠或者细丝等，优选地，所述多个支撑物18均匀分布设置于所述空腔20中。
所述太阳能集热器100为一平板型结构。另外，所述太阳能集热器100还可制成其它的各种形状，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进一步包括一反射层22，该反射层22设置于所述上基板10位于空腔20内的下表面101，厚度为10纳米～1微米。一个理想的太阳能集热器100应能最大限度地吸收入射其表面的太阳能，而同时又要尽可能地减少其自身的辐射热损，这样才可能最大程度地将太阳能转化为热能。即，所述太阳能集热器100在可见光及近红外光波段反射率低即吸收比高，而在中、远红外光波段反射率高即发射率低。这就需要在所述太阳能集热器100内设置一反射层22。该反射层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层、有序碳纳米管层或者碳纳米管复合材料层。所述反射层22对于可见光及近红外光是透明的，具有非常好的透过可见光及近红外光、并反射中、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14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，还可以将一导热装置24如循环液流层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导热装置。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在应用时，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，所述吸热层14对于太阳光的可见光及近红外光波段都具有比较好的吸收，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。由于吸热层14中的碳纳米管具有稳定性好和导热率高的优异特性，可提高吸热层14将热能传给所述循环液流层的效率。另外，所述吸热层14吸收太阳能后温度升高，而后吸热层14作为一热源也会向外辐射热量。所述反射层22的设置可将这部分热辐射反射回所述空腔20内，可以减少所述太阳能集热器100的热量散失，进一步提高所述太阳能集热器100的工作效率。
请参阅图5，本技术方案实施例提供一种制备上述碳纳米管薄膜的方法，具体包括以下步骤：
步骤一：提供一碳纳米管原料。碳纳米管原料的获得包括以下步骤：
首先，提供一碳纳米管阵列形成于一基底，优选地，该阵列为定向排列的碳纳米管阵列。
本技术方案实施例提供的碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳米管阵列中的一种。该碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本技术方案实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700℃～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃～740℃，然后通入碳源气体反应约5分钟～30分钟，生长得到碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列的高度大于100微米，其与上述基底面积基本相同，其中部分碳纳米管相互缠绕。通过上述控制生长条件，该定向排列的碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。
其次，采用刀片或其它工具将上述碳纳米管阵列从基底刮落，获得一碳纳米管原料，其中上述碳纳米管在一定程度上保持相互缠绕的状态。所述的碳纳米管原料中，碳纳米管的长度大于10微米。
本技术方案实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本技术方案实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本技术方案实施例优选的保护气体为氩气。
可以理解，本技术方案实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法，也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等等。
步骤二：将上述碳纳米管原料添加到一溶剂中并进行絮化处理获得一碳纳米管絮状结构。
本技术方案实施例中，溶剂可选用水、易挥发的有机溶剂等。絮化处理可通过采用超声波分散处理或高强度搅拌等方法。优选地，本技术方案实施例采用超声波分散10分钟～30分钟。由于碳纳米管具有极大的比表面积，相互缠绕的碳纳米管之间具有较大的范德华力。上述絮化处理并不会将该碳纳米管原料中的碳纳米管完全分散在溶剂中，碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。
步骤三：将上述碳纳米管絮状结构从溶剂中分离，并对该碳纳米管絮状结构定型处理以获得一碳纳米管薄膜。
本技术方案实施例中，所述的分离碳纳米管絮状结构的方法具体包括以下步骤：将上述含有碳纳米管絮状结构的溶剂倒入一放有滤纸的漏斗中；静置干燥一段时间从而获得一分离的碳纳米管絮状结构。请参阅图6，为置于滤纸上的该碳纳米管絮状结构。可以看出，上述的碳纳米管相互缠绕成不规则的絮状结构。
本技术方案实施例中，所述的碳纳米管絮状结构的定型处理过程具体包括以下步骤：将上述碳纳米管絮状结构置于一容器中；将该碳纳米管絮状结构按照预定形状摊开；施加一定压力于摊开的碳纳米管絮状结构；以及，将该碳纳米管絮状结构中残留的溶剂烘干或等溶剂自然挥发后获得一碳纳米管薄膜。
可以理解，本技术方案实施例可通过控制该碳纳米管絮状结构摊开的面积来控制该碳纳米管薄膜的厚度和面密度。碳纳米管絮状结构摊开的面积越大，则该碳纳米管薄膜的厚度和面密度就越小。请参阅图7，为本技术方案实施例中获得的碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，该碳纳米管薄膜的长度不限，可根据实际需求制得。
另外，上述分离与定型处理碳纳米管絮状结构的步骤也可直接通过抽滤的方式实现，具体包括以下步骤：提供一微孔滤膜及一抽气漏斗；将上述含有碳纳米管絮状结构的溶剂经过该微孔滤膜倒入该抽气漏斗中；抽滤并干燥后获得一碳纳米管薄膜。该微孔滤膜为一表面光滑、孔径为0.22微米的滤膜。由于抽滤方式本身将提供一较大的气压作用于该碳纳米管絮状结构，该碳纳米管絮状结构经过抽滤会直接形成一均匀的碳纳米管薄膜。且，由于微孔滤膜表面光滑，该碳纳米管薄膜容易剥离。
可以理解，本技术方案实施例中该碳纳米管薄膜可根据实际应用切割成预定的形状和尺寸，以扩大其应用范围。
所述太阳能集热器由于碳纳米管薄膜制备的成本较低，故，采用碳纳米管薄膜作吸热层，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它变化，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 (13)
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，该吸热层设置于下基板位于所述空腔内的上表面，该吸热层包括一碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个通过范德华力相互吸引、相互缠绕的碳纳米管。
2.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜的厚度为3微米至2毫米。
3.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜为各向同性，其中的多个碳纳米管为均匀分布、无规则排列，使该碳纳米管薄膜呈各向同性。
4.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管的长度大于10微米。
5.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，该反射层设置于所述上基板位于空腔内的下表面。
6.如权利要求5所述的太阳能集热器，其特征在于，所述反射层的厚度为10纳米～1微米。
7.如权利要求6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。
8.如权利要求7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。
9.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述上基板的材料为玻璃、塑料、透明陶瓷或者高分子透明材料，该上基板的厚度为100微米～5毫米。
10.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述下基板的材料为玻璃、锌、铝或者不锈钢，该下基板的厚度为100微米～5毫米。
11.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述边框支架的材料为玻璃，高度为100微米～500微米。
12.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述支撑物的材料为玻璃，形状为小珠或者细丝。
13.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，该太阳能集热器进一步包括一间隔层，该间隔层设置于所述太阳能集热器的空腔中。
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