CN102472527B

CN102472527B - 太阳能收集器以及用于制造光吸收表面的方法

Info

Publication number: CN102472527B
Application number: CN201080033033.6A
Authority: CN
Inventors: 彼得·恩格勒特
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: US9599370B2; DE102009035238A1; CN102472527A; US20120192859A1; WO2011012583A1; EP2459941A1; EP2459941B1

Abstract

本发明涉及一种太阳能收集器，其具有：基础材料(101)和纳米结构层(103)，该结构层结合在基础材料(101)中，以形成光吸收表面。在此，该纳米结构层含有纳米颗粒，纳米颗粒由无机材料构成。

Description

太阳能收集器以及用于制造光吸收表面的方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能收集器、一种用于制造光吸收表面的方法，还涉及一种用于光吸收或热辐射的表面的应用。

背景技术

迄今，例如用于热水处理的热学太阳能设备都设有吸收装置，吸收装置的表面通过喷漆或电镀涂层而染成黑色。由此用作吸收装置的涂层至今仍采用不同的方法后处理地涂覆在太阳能收集器上，这些不同的方法例如为喷漆或电镀涂层。在这样的吸收装置中环流有用于传递热量的冷却剂。

据此需要在传热器表面上额外地、后处理地且影响环境地涂覆(例如镀铬)化学剂或聚合物。采用聚合物的涂层长时间暴露在日光中会不稳定，因而会导致效率损耗。而且，热能必须克服涂层和金属换热器表面之间的边界层。

文献DE 103 61 910 B3公开了一种对构件表面进行无喷漆式涂黑的方法，构件由高硅含量的铝材料制成，在该方法中首先以不同的方式对表面进行预处理。在冲洗过程之后，通过在水状活性溶剂中的加工处理实现涂黑，该活性溶剂含有硫酸锌、乙二胺和钼酸铵。

文献DE 10 2004 031 034 A1公开了一种用于焊接构件的焊剂。在此，通过焊接处理形成一项或多项特殊表面性能。由此得到耐腐蚀、亲水或有粘性的表面以及美观的外形。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改善的太阳能收集器、一种改善的用于制造光吸收表面的方法以及一种用于光吸收或热辐射的表面的应用。

上述目的通过下述太阳能收集器、用于制造光吸收表面的方法以及用于光吸收或热辐射的表面的应用来实现。

本发明的技术方案在于，采用可控气氛钎焊(CAB)焊接工艺用于铝(例如特别用于铝传热器)、金属或玻璃的硬焊，在焊接过程中能够产生黑色表面。

通过对无腐蚀焊剂(Nocolok)添加二氧化钛纳米颗粒，在焊接之后、于表面(诸如铝表面或金属表面或玻璃表面)上能够涂上深色。颜色加深又被称为“涂黑焊接(Blackbraze)”，可以考虑采用涂黑焊接用于对冷却器进行可视化涂黑，从而省去涂黑喷漆。

高效的传热器，例如铝传热器或由其它金属制成的传热器，能够设有强光吸收表面，并且可以应用在太阳能技术中。这样就实现了具有优势的用于制造太阳能收集器的方法。

根据本发明，薄壁高效的传热器、诸如铝传热器的表面可以含有强光吸收的、黑色的钛化合物。在此，整体构造必须采用无机物/金属，从而确保实现应对UV的长久稳定性。吸收涂层必须结合在金属传热器的表面中。

本发明提供了一种太阳能收集器，具有光吸收表面，其特征在于，包括：具有表面的基础材料；纳米结构层，该结构层结合在表面的整个面中，以形成光吸收表面，其中，该纳米结构层含有纳米颗粒，纳米颗粒由无机材料构成。经由光吸收表面可以吸收例如太阳能、也就是光和红外线。太阳能收集器可以具有冷却剂通道，冷却剂能够流经该冷却剂通道。太阳能的吸收能够导致基础材料和冷却剂的加热。

纳米颗粒与其体积相关具有巨大的表面。也就是说，表面上的原子数量远多于较大的本体中的原子数量。因此，纳米颗粒能够更好地与环境进行化学和物理作用。

当将二氧化钛纳米颗粒添加到Nocolok焊剂中时，按照CAB焊接过程，(铝)表面被上色为深黑。通过表面分析(ESCA)显示，在焊接过程中形成的黑色表面也就是根据文献所述的强光吸收的氧氮化钛(Titanoxonitrid)。

这样，形成黑色表面的涂层进行纳米结构处理，并且嵌入到由铝基础材料构成的表面中，亦或是嵌入到由金属或玻璃构成的表面材料的表面中。不光滑的表面表现为强的光吸收性能以及红外线吸收性能。因此，这样的表面还是理想的黑色辐射体，并由此还适用于特别在太空中的热辐射。由于换热器和吸收涂层之间的边界层的减小而实现了高效的热传递。

根据本发明，可以使纳米颗粒的无机材料的热吸收率大于基础材料的热吸收率。例如，无机材料可以含有钛和/或至少一种钛化合物。基础材料可以包括铝、金属或玻璃。

本发明还提供一种用于制造光吸收表面的方法，该方法包括以下步骤：准备具有一个表面的基础材料；对该表面涂上一层含有纳米颗粒的涂层，该纳米颗粒由无机材料组成；以及，对表面进行加热，以使含有纳米颗粒的涂层形成为纳米结构层，该纳米结构层结合在所述表面中，以形成光吸收表面。本发明的方法能够优选用于制造本发明的太阳能收集器的光吸收表面。

例如可以将含有纳米颗粒的涂层喷涂在表面上。对此可以使纳米颗粒存在于溶剂中。可替换地，还可以将溶剂以其它适宜的方式涂覆在表面上。

可以通过加热或焊接加工对表面进行加热。在此可以采用硬焊。特别适宜采用CAB焊接工艺。

根据本发明，基础材料可以由铝、玻璃或金属构成，而无机材料可以含有钛和/或至少一种钛化合物。例如可以使含有纳米颗粒的涂层含有二氧化钛纳米颗粒。另外，可以使含有纳米颗粒的涂层还含有焊接焊剂、粘合剂和触变剂。特别可以使含有纳米颗粒的涂层含有可控气氛钎焊焊剂、纳米二氧化钛悬浊液、聚氨酯类粘合剂悬浊液、聚氨酯类凝结剂悬浊液和饱和水。在此，例如可以使含有纳米颗粒的涂层含有25-40％CAB焊剂、10-20％纳米二氧化钛悬浊液、5-20％聚氨酯(PU)粘合剂悬浊液、1-10％PU凝结剂悬浊液以及30-45％饱和水。这里的百分比含量指的是体积百分比。

此外，本发明提供一种表面的应用，用于光吸收或热辐射，在该表面中结合有纳米结构层，该纳米结构层含有纳米颗粒，纳米颗粒由无机材料构成。在此，该表面可以由本发明的方法制成。

总体来说，对于在本申请中所述的铝材料还可以采用其它金属或玻璃，对此不需要进行详细说明。替代焊接工艺，还可以采用适宜的加热方法，前提是不需要通过焊接将构件相互连接在一起。相应地，并不局限于对焊炉的使用，而且可替换地还可以采用高温热炉，还可以附加设置保护气氛，对此不再进行详细说明。

附图说明

接下来，结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。图中示出：

图1为本发明的太阳能收集器的示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

在下文对本发明的优选实施例的说明中，在不同附图中示出的功能类似的部件用相同或相近的附图标记表示，其中，省去对这些部件的重复说明。

图1示出了本发明的一个实施例中的太阳能收集器的示意图，该太阳能收集器具有基础材料101和光吸收表面103。光吸收表面103结合在基础材料中。该光吸收表面经过纳米结构处理。由此，在基础材料101的表面中可以在整个区域中嵌入由无机材料构成的纳米颗粒，无机材料例如为金属。

该太阳能收集器可以形成为薄壁的传热器，其中，作为基础材料101采用铝。

作为纳米颗粒适宜采用钛化合物。因为，作为吸收材料，黑色的钛化合物相对于其它材料具有最高的吸收度。那么Ti₂O₂N在可见区域上的参数值A_A＝0.95、T_A＝0、R_A＝0.05，在红外线区域上的参数值A_A＝0.05、T_A＝0、R_A＝0.95。与此相对，黑镍在可见区域上的参数值A_A＝0.88、T_A＝0、R_A＝0.12，在红外线区域上的参数值A_A＝0.07、T_A＝0、R_A＝0.93；黑铬在可见区域上的参数值A_A＝0.87、T_A＝0、R_A＝0.13，在红外线区域上的参数值A_A＝0.09、T_A＝0、R_A＝0.91；以及，铝栅板在可见区域上的参数值A_A＝0.70、T_A＝0、R_A＝0.30，在红外线区域上的参数值A_A＝0.07、T_A＝0、R_A＝0.93。

图2示出了本发明的一个实施例中用于制造光吸收表面的方法的流程图。在第一步骤中，准备具有一个表面的基础材料。在此采用的是铝传热器。表面可以指任意这样的表面，即，该表面接下来用作例如太阳能辐射的吸收表面。然后在步骤203中，对该表面涂上一层含有纳米颗粒的涂层，该纳米颗粒由无机材料组成。对此，例如在表面上涂覆含有纳米颗粒的溶剂。为了将纳米颗粒结合到表面中，在步骤205中对表面进行加热处理。以这种方式可以使含有纳米颗粒的涂层与表面相互作用，并且该涂层能够形成经纳米技术处理的光吸收表面。加热处理可以在热焊工艺中进行。

以这种方式，不需要在表面上后涂覆一层基于钛和/或钛化合物的强光吸收涂层，而是在制造(焊接)铝传热器的过程中“就地(in situ)”在铝基础材料的最上层中就能够生成一层强的光吸收涂层。由此直接在最上层的铝层中自身实现光吸收，并且因此更快和更有效地将吸收的光传递到冷却液上。

根据一个实施例，为了制造光吸收铝表面，可以对用于太阳能技术的铝传热器在焊接加工之前、先用悬浊液进行喷涂，该悬浊液含有(Nocolok)-CAB焊剂，该焊剂以一定的百分比添加到二氧化钛纳米颗粒中。此外，该悬浊液还含有粘合剂以及触变剂，以使悬浊液的固体材料固定在表面上，直至在CAB焊炉中达到反应温度。

在达到反应温度时，铝表面、氮气氛围和纳米二氧化钛颗粒进行化学反应，然后在其中生成黑色钛化合物，接下来在常熔化的铝表面中利用(Nocolok)焊剂引入钛化合物。

由此可以产生特别深黑色的且不光滑的、强烈吸收光的无机表面。

这里优选(Nocolok)-CAB焊剂相对于固体材料以11-20％钛纳米颗粒进行添加。

对于带有焊接涂层的铝表面的配方优选方案包括：32.0％CAB焊剂、15.0％纳米二氧化钛悬浊液、12.0％聚氨酯类(PU)粘合剂悬浊液、5.0％PU增稠剂悬浊液以及36.0％去离子(vollentionisiertes，VE)水。

表面加热可以在换热器各个部件的硬焊过程中进行，因此不需要额外进行加热步骤。作为换热器的基础材料可以采用铝或铝合金。对于焊接方法适合采用所谓的“Nocolok”焊接，其中，在氟铝酸钾基质上采用焊剂，氟铝酸钾的化学总式为K_1-3AlF_4-8，这种焊剂以名称“Nocolok”在市场上获得。这种“Nocolok”焊剂在焊接之后保留在表面上，并且能够使该表面涂覆一层结晶层。

光吸收表面可以含有这些成分，即，元素Ti以及以化合状态存在的Ti，例如TiO和/或氮化物。此外，表面还可以含有这些成分：四价钛和诸如K₂TiF₆的化合物。在此，在表面区域中的Ti不能测到，而是在经过60分钟氩离子蚀刻、对应大约280nmSiO2等效层厚度的脱落之后才能够测到。

上述实施例仅示例性进行选择，这些实施例可以相互结合。

Claims

1.一种太阳能收集器，具有光吸收表面，其特征在于，包括：

具有表面的基础材料（101）；

纳米结构层（103），该层由含有纳米颗粒的涂层通过焊接加工对所述表面加热结合在所述表面的整个面中，以形成光吸收表面，其中，该纳米结构层含有纳米颗粒，所述纳米颗粒由无机材料构成，所述含有纳米颗粒的涂层还含有焊接焊剂、粘合剂和触变剂。

2.根据权利要求1所述的太阳能收集器，其特征在于，所述纳米颗粒的无机材料的热吸收率大于所述基础材料（101）的热吸收率。

3.根据前述任意一项权利要求所述的太阳能收集器，其特征在于，所述无机材料含有钛和/或至少一种钛化合物。

4.根据权利要求1或2所述的太阳能收集器，其特征在于，所述基础材料（101）包括金属或玻璃。

5.根据权利要求4所述的太阳能收集器，其特征在于，所述基础材料（101）包括铝。

6.根据权利要求1所述的太阳能收集器，其特征在于，所述光吸收表面由根据权利要求7至12中任意一项所述的方法制成。

7.一种用于制造光吸收表面的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤（201）：准备具有一个表面的基础材料；

步骤（203）：对该表面涂上一层含有纳米颗粒的涂层，该纳米颗粒由无机材料组成，所述含有纳米颗粒的涂层还含有焊接焊剂、粘合剂和触变剂；

步骤（205）：通过焊接加工对该表面进行加热，以使含有纳米颗粒的涂层形成为纳米结构层，该纳米结构层结合在所述表面中，以形成光吸收表面。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将含有纳米颗粒的涂层喷涂在所述表面上。

9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于，所述基础材料（101）由铝构成，所述无机材料含有钛和/或至少一种钛化合物。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述含有纳米颗粒的涂层含有二氧化钛纳米颗粒。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述含有纳米颗粒的涂层含有可控气氛钎焊焊剂、纳米二氧化钛悬浊液、聚氨酯类粘合剂悬浊液、聚氨酯类凝结剂悬浊液和饱和水。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述含有纳米颗粒的涂层含有25-40%可控气氛钎焊焊剂、10-20%纳米二氧化钛悬浊液、5-20%聚氨酯类粘合剂悬浊液、1-10%聚氨酯类凝结剂悬浊液以及30-45%饱和水。

13.一种表面的应用，用于光吸收或热辐射，在所述表面中结合有纳米结构层（103），该纳米结构层含有纳米颗粒，所述纳米颗粒由无机材料构成，所述纳米结构层（103）由含有纳米颗粒的涂层通过焊接加工对所述表面加热结合在所述表面的整个面中，所述含有纳米颗粒的涂层还含有焊接焊剂、粘合剂和触变剂。

14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于，所述表面根据权利要求7至12中任意一项所述的方法制成。