CN103525377A - 集热材料的制备方法及具有该集热材料的集热板和集热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集热材料的制备方法，包括：S1、将苯类化合物、甲醛溶解于水中，加入催化剂，以生成水溶液，该苯类化合物、甲醛以及催化剂的摩尔比为1:1.5～2.5:200～500；S2、将生成的该水溶液加热直至形成凝胶，提取该凝胶；S3、将该凝胶进行溶剂置换，得到第二凝胶；S4、将该第二凝胶干燥后进行炭化处理。该集热材料的制备来源丰富，方法简单，且对环境无污染。本发明将人工合成的集热材料应用于集热板以及集热器中，从而降低生产成本，且该集热材料能直接喷涂在基板上，并应用于集热板以及集热器中进一步减少设备投入，控制生产成本。

Description

集热材料的制备方法及具有该集热材料的集热板和集热器

技术领域

本发明涉及太阳能集热器技术领域，特别涉及一种集热材料的制备方法及具有该集热材料的集热板和集热器。

背景技术

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。作为21世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。抓住机遇，不失时机地推进太阳能的高效利用，有利于国民经济持续、快速、健康发展，保护生态环境的同时有利于节能环保新型社会的建设，并引导我国节能与节能技术随同世界大潮迅速前进。

在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。集热器主要分为平板型和真空管型。平板型太阳集热器结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，采用回流排空技术，平板集热器太阳能系统可以方便地解决防冻和防过热等技术难点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一，日益成为市场的主流选择。

为了提高太阳能集热器的效率，唯一有效的办法是在保持最大限度地采集太阳能的同时尽可能减小其对流和辐射热损，因此采用集热器中用于吸收太阳能的集热板材料的选择显得极为重要。随着太阳能热利用技术的发展，我国对选择性吸收材料的研究工作已有二十年的历史，太阳集热器的发展过程也是涂层技术的发展过程，期间经历了从非选择性的普通黑漆到选择性的硫化铅、金属氧化物涂料，从黑镍、黑铬到铝阳极化涂层等一代接一代的更新换代过程。

目前我国平板集热板吸收表面主要采用钛氮氧化物吸热涂层和铜条带上黑铬选择性涂层。在中国发明专利说明书CN101250688A中公开了一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，该吸收层包括吸收层和减反射层，吸收层由溅射沉积在基体上的TiN层、溅射沉积在TiN层上的TiO层以及溅射沉积在TiO层上的TiO₂层构成，减反射层位溅射沉积在TiO₂层上的SiO₂层。现有钛氮氧化物吸热涂层材料为目前最好的吸热材料，其吸收率高达96%，反射率约0.2%左右，但是该涂层的制备方法为磁控溅射工艺，设备投资大，质量难控制，因此成本较高且不利于低碳环保。

而中国发明专利说明书CN101864582A则公开了一种铝基大面积电镀黑铬太阳能集热板的制备方法。该发明的制备方法是利用三价铬电镀黑铬工艺在大面积铝板上制备高效的太阳能吸热涂层。虽然黑铬涂层材料也是较好的吸热材料，其吸收率约91%左右，反射率则高达5%，吸收发射比（α/ε）接近于6～13；但是该种材料通常采用电化学镀方法制备，电镀液镀液配置复杂，生产成本高且对环境有污染。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种集热材料的制备方法及包含该种集热材料的集热板和集热器，该集热材料的制备来源丰富，方法简单，且对环境无污染。本发明将人工合成的集热材料应用于集热板以及集热器中，从而降低生产成本，且该集热材料能直接喷涂在基板上，进一步减少设备投入，控制生产成本。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种集热材料的制备方法，包括：S1、将苯类化合物、甲醛溶解于水中，加入催化剂，以生成水溶液，该苯类化合物、甲醛以及催化剂的摩尔比为1:1.5～2.5:200～500；S2、将生成的该水溶液加热直至形成凝胶，提取该凝胶；S3、将该凝胶进行溶剂置换，得到第二凝胶；S4、将该第二凝胶干燥后进行炭化处理。

进一步地，在步骤S3之前，还包括步骤：将提取的该凝胶进行老化处理。

优选地，步骤S3的具体步骤为：将该凝胶分别在至少两种具有不同表面张力的溶剂中进行浸泡置换，得到该第二凝胶。

进一步地，该凝胶按照该有机溶液表面张力从大到小的顺序依次进行浸泡置换。

优选地，步骤S4具体包括：将该第二凝胶置于的干燥箱中，并逐渐提升干燥箱内的温度至该第二凝胶质量不再发生变化，使该第二凝胶干燥；将干燥后的该第二凝胶置于炭化炉中，逐渐提升炭化炉内的温度至设定温度后进行恒温炭化。

优选地，该干燥箱的起始温度为65℃～90℃，该炭化炉中充有高纯氮气。

优选地，在步骤S1中，该苯类化合物为间苯二酚或混合甲苯；该催化剂为NaOH或Na₂CO₃。

根据本发明的另一个方面，提供一种集热板，包括：透光板以及基板；该基板位于该透光板下方；该基板上面喷涂有通过上述任意一种集热材料的制备方法所得到的集热材料；该集热材料与该透光板紧密相连。

优选地，该透光板为硅气凝胶透光板，该硅气凝胶透光板由第一基板、第二基板以及位于两者之间的二氧化硅气凝胶层组成。

根据本发明的一个方面，提供一种集热器，包括：保温层、底板以及集热板；该保温层位于该底板以及该集热板之间；该保温层的内部设置有流体管道。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1本发明实施例的集热材料的制备方法主流程示意图。

图2本发明实施例的集热材料的制备方法具体流程示意图。

图3为本发明实施例的集热板的结构示意图。

图4为本发明实施例的吸热板的结构示意图。

图5为本发明实施例的硅气凝胶层透光板的剖面结构示意图。

图6为本发明实施例的集热器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种集热材料的制备方法，包括：S1、将苯类化合物、甲醛溶解于水中，加入催化剂，以生成水溶液，该苯类化合物、甲醛以及催化剂的摩尔比为1:1.5～2.5:200～500；S2、将生成的该水溶液加热直至形成凝胶，提取该凝胶；S3、将该凝胶进行溶剂置换，得到第二凝胶；S4、将该第二凝胶干燥后进行炭化处理。

本发明中由于甲醛和催化剂都可以采用溶液的形式加入，所以在此并未对水的体积做限定，在具体实施时，可以使步骤S1得到的溶液的稀释比为30～120，即溶剂/溶质为30～120，在步骤S1得到的溶液中溶剂为水，溶质为苯类化合物、甲醛以及催化剂。在实施时，苯类化合物可以采用间苯二酚或混合甲苯；而催化剂则为NaOH或Na₂CO₃。

通过上述方法制得的集热材料就是炭气凝胶，炭气凝胶是一种对辐射非常好的绝缘体，在0.25至14.3um的广泛波长范围内，炭气凝胶的反射率反射率低于1%,一般在0.2～0.8%范围内,而吸收率可达96%；此外，由于固体传热仅通过狭窄的原子链，所以炭气凝胶的热导率非常之低，甚至低于空气；因此炭气凝胶也就成为了太阳能集热器黑体吸附体的理想材料。

请参照图2，图2本发明实施例的集热材料的制备方法流程示意图。在具体实施时，首先进行步骤S10，将苯类化合物、甲醛溶解于水中，加入催化剂，以生成水溶液，该苯类化合物、甲醛以及催化剂的摩尔比为1:1.5～2.5:200～500。接着是步骤S20，将生成的该水溶液加热直至形成凝胶，提取该凝胶。在具体实施时，可以将溶液置于干燥箱中进行干燥。之后进行步骤S30，将提取的该凝胶进行老化处理。

然后进行步骤S40，将凝胶分别在至少两种具有不同表面张力的溶剂中进行浸泡置换，得到第二凝胶。在本实施例中，该凝胶按照有机溶液表面张力从大到小的顺序依次进行浸泡置换。以选择两个具有不同表面张力的溶剂为例，需要说明的是，选择的溶剂，其表面张力均小于水，即步骤S10生成的该水溶液中的溶剂。此时，该步骤S40具体为：先将凝胶浸泡在第一选择溶剂中；接着将浸泡在第一选择溶剂中的凝胶取出，并浸泡第二选择溶剂，其中第二选择溶剂的表面张力小于第一选择溶剂的表面张力；最后将浸泡在第二选择溶剂的凝胶取出，取出后的凝胶即为第二凝胶。该第二凝胶与步骤S20中提取的凝胶相比，其不同之处主要在于凝胶孔隙中液体表面张力的变化，在步骤S20中得到的凝胶孔隙中的液体为水，而第二凝胶孔隙中的液体在本实施例中为第二选择溶剂。水的表面张力大于第二选择溶剂的表面张力，而减小凝胶孔隙中液体的表面张力可以降低凝胶骨架干燥过程中所受的压应力，从而减少后续过程中凝胶的收缩。且本发明中选择了至少两个具有不同表面张力的溶剂，有梯次地降低凝胶孔隙中液体的表面张力，从而达到更好溶剂置换效果。

接着是步骤S50，将第二凝胶置于的干燥箱中，并逐渐提升干燥箱内的温度至该第二凝胶质量不再发生变化，使该第二凝胶干燥；其中该干燥箱的起始温度为65℃～90℃。最后是步骤S60，将干燥后的该第二凝胶置于炭化炉中，逐渐提升炭化炉内的温度至设定温度后进行恒温炭化，其中该炭化炉中充有高纯氮气，从而使步骤S60在高纯氮气的氛围下进行，如此便完成了本发集热材料即炭气凝胶的制备。

本发明提供的集热材料的制备方法，在将第二凝胶进行干燥时，即图1中的步骤S4以及图2中的步骤S50，无需采用超临界干燥工艺，而是通过将第二凝胶置于65℃～90℃的干燥箱中，并逐渐升温直至该第二凝胶的质量不再变化的方式，使第二凝胶干燥，从而有效地节约能源，为炭气凝胶的批量生产和应用提供了可行性的保障。

下面结合具体的数值或数值范围，进一步阐述本发明集热材料即炭气凝胶的制备方法。

第一实施例

称量5.4g间苯二酚倒入装有100ml水的烧杯中进行磁力搅拌，待间苯二酚完全溶入水中后，加入6.5ml甲醛继续磁力搅拌，再加入0.05mol/L的NaOH溶液50ml溶液作为催化剂，当溶液颜色呈现出暗红色之后倒入容器并密封。然后将上述溶液在50℃干燥箱中加热直至形成凝胶，提取该凝胶并进行老化处理，老化处理的时间优选是1天至2天。接着进行溶剂置换，在本实施例中，选择了两种选择溶剂，其中第一选择溶剂为去离子水，第二选择溶剂为丙酮，由于去离子水的表面张力大于丙酮的表面张力，所以先将凝胶浸泡在去离子水中，一段时间后，将浸泡在去离子水中的凝胶取出，并浸泡在丙酮中，一段时间后，将浸泡在丙酮中的凝胶取出，此时得到的就是第二凝胶；为了更好的效果，在进行溶剂置换前，可以先将凝胶浸泡在无水乙醇中以去除固体杂质，再将凝胶浸泡在三氟乙烯中以中和催化剂。随后将该第二凝胶在85℃干燥箱中进行干燥，升温速率为2℃/h～8℃/h，优选2℃/h，当第二凝胶的质量不再变化时，将该第二凝胶从干燥箱中取出，然后将该第二凝胶置于炭化炉中，该炭化炉中充有高纯氮气，在高纯氮气氛围保护下，以5℃/min的加热速率升温至900℃～1200℃，以1050℃为佳，再进行恒温炭化，最终得到集热材料即炭气凝胶。

第二实施例

称量6.4g混合甲苯倒入装有100ml水的烧杯中进行磁力搅拌，待间苯二酚完全溶入水中后，加入6.5ml甲醛继续磁力搅拌，再加入0.05mol/L的NaOH溶液50ml溶液作为催化剂，当溶液颜色呈现出暗红色之后倒入容器并密封。然后将上述溶液在50℃干燥箱中加热直至形成凝胶，提取该凝胶并进行老化处理，老化处理的时间优选是1天至2天。接着进行溶剂置换，在本实施例中，选择了三种选择溶剂，其中第一选择溶剂为去离子水，第二选择溶剂为丙酮，第二选择溶剂为乙醇，由于去离子水、丙酮、乙醇三者的表面张力是依次减小的，所以先将凝胶浸泡在去离子水中，一段时间后，将浸泡在去离子水中的凝胶取出，并浸泡在丙酮中，一段时间后，将浸泡在丙酮中的凝胶取出，并浸泡在乙醇中，再一段时间后，将浸泡在乙醇中的凝胶取出，此时得到的就是第二凝胶；为了更好的效果，在进行溶剂置换前，可以先将凝胶浸泡在无水乙醇中以去除固体杂质，再将凝胶浸泡在三氟乙烯中以中和催化剂。随后将该第二凝胶在70℃干燥箱中进行干燥，升温速率为2℃/h～8℃/h，优选5℃/h，当第二凝胶的质量不再变化时，将该第二凝胶从干燥箱中取出，然后将该第二凝胶置于炭化炉中，该炭化炉中充有高纯氮气，在高纯氮气氛围保护下，以5℃/min的加热速率升温至900℃～1200℃，以1050℃为佳，再进行恒温炭化，最终得到集热材料即炭气凝胶。

第三实施例

称量5.4g间苯二酚倒入装有100ml水的烧杯中进行磁力搅拌，待间苯二酚完全溶入水中后，加入6.5ml甲醛继续磁力搅拌，再加入0.05mol/L的0.5g的Na₂CO₃作为催化剂，当溶液颜色呈现出暗红色之后倒入容器并密封。然后将上述溶液在50℃干燥箱中加热直至形成凝胶，提取该凝胶并进行老化处理，老化处理的时间优选是1天至2天。接着进行溶剂置换，在本实施例中，选择了三种选择溶剂，其中第一选择溶剂为去离子水，第二选择溶剂为丙酮，第二选择溶剂为乙醇，由于去离子水、丙酮、乙醇三者的表面张力是依次减小的，所以先将凝胶浸泡在去离子水中，一段时间后，将浸泡在去离子水中的凝胶取出，并浸泡在丙酮中，一段时间后，将浸泡在丙酮中的凝胶取出，并浸泡在乙醇中，再一段时间后，将浸泡在乙醇中的凝胶取出，此时得到的就是第二凝胶；为了更好的效果，在进行溶剂置换前，可以先将凝胶浸泡在无水乙醇中以去除固体杂质，再将凝胶浸泡在三氟乙烯中以中和催化剂。随后将该第二凝胶在85℃干燥箱中进行干燥，升温速率为2℃/h～8℃/h，优选2℃/h，当第二凝胶的质量不再变化时，将该第二凝胶从干燥箱中取出，然后将该第二凝胶置于炭化炉中，该炭化炉中充有高纯氮气，在高纯氮气氛围保护下，以5℃/min的加热速率升温至900℃～1200℃，优选900℃，再进行恒温炭化，最终得到集热材料即炭气凝胶。

需要说明的是：上述实施例中的间苯二酚、甲醛、NaOH、Na₂CO₃混合甲苯的质量或浓度并不是确定的，只需满足间苯二酚（或混合甲苯）、甲醛、NaOH（或Na₂CO₃）三者的摩尔比为1：1.5～2.5：200～500即可，而水的体积也可以为150ml、200ml等。

请参照图3、图4，本发明提供一种集热板30，包括：透光板10以及基板22；该基板22位于透光板10下方；该基板22上面喷涂有通过上述任意一种集热材料的制备方法所得到的集热材料；该集热材料与该透光板紧密相连。此时，喷涂在基板22上的集热材料形成了吸热层21，也就是说，该吸热层21与透光板10紧密相连。在本实施例中，基板22可以采用玻璃或塑料等材料，喷涂在基板22上的由集热材料构成的吸热层21的厚度为15～50um，例如是20um或25um。

透光板10的作用主要有3个：一是透过太阳辐射，使其投射在吸热层21上；二是保护吸热层21，使其不受灰尘及雨雪的侵蚀；三是形成温室效应，阻止吸热层21在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。一般情况下，采用钢化玻璃作为透光板即能达到上述三个作用。

在本实施例中，透光板10采用硅气凝胶透光板，请参照图5，该硅气凝胶透光板由第一基板11、第二基板13以及位于两者之间的二氧化硅气凝胶层12组成，第一基板11、第二基板13可以采用玻璃或塑料等材料。当采用如图3中所示的透光板时，不仅能很好地达到上述的3个作用，而且吸热层21和硅气凝胶透光层12的结合，还可以带来很好的效果，极大提高太阳能集热器的集热效率，硅气凝胶的透光率高达90%，且密度低（仅为空气的三倍），热传导率低至0.013w/㎡k，在最大程度透光的同时减少太阳能热辐射，极大地提高集热效率。此外吸热层21和二氧化硅气凝胶层12性能稳定，长达25年各性能指标无衰减，还可以回收利用，极大地节约资源和能源。

请参照图6，本发明还提供一种集热器，包括：保温层40、底板50以及集热板30；保温层40位于底板50以及集热板30之间；该保温层的内部设置有流体管道60。

保温层40中的流体管道60用于供工质流通，而流过流体管道60中的工质会被太阳能加热。本实施例中，在底板50为镀锌铜板。

在集热器中采用不同结构的集热板，其流体管道流出的工质的温度也会有所不同。具体来说，当集热板中吸热层21的厚度为25um时，若采用钢化玻璃作为透光层，则集热器中流体管道流出的工质的温度与传统集热器相比，提高了45%；若配合硅气凝胶透光板，则集热器中流体管道流出的工质的温度与传统集热器相比，提高了60%；可见由由炭气凝胶喷涂形成的吸热层能提供高太能能的利用效率，而结合二氧化硅气凝胶层可以带来很好的效果，极大提高太阳能集热器的集热效率。当集热板中吸热层21的厚度为20um时，配合硅气凝胶透光板，则集热器中流体管道流出的工质的温度与传统集热器相比，提高了54%；可见，吸热层21的厚度与集热器的集热效率也有很大的关系。

本发明提供了一种集热材料的制备方法及包含该种集热材料的集热板和集热器，采用集热材料即炭气凝胶作为吸收太阳能的主要材料，从而最大限度的采集太阳能且减少其对流和辐射热损，高效地利用太阳能；本发明通过人工合成的方式获得该集热材料，对环境无污染，在有效利用能源同时不对环境造成破坏，且该制备方法中的干燥工艺采取常压干燥工艺，能有效地节约能源，而将生产的集热材料通过喷涂的方式在基板上形成吸热层，不仅工艺简单，且可进一步减少设备投入，降低生产成本，此外，还改善了传统方法附着力较差、材料利用率不高的缺点，提高集热效率的同时提高材料利用率。此外本发明还采用硅气凝胶透光层与炭气凝胶层结合，极大提高太阳能集热器的集热效率，而且硅气凝胶透光层和炭气凝胶层的性能稳定，可回收利用，极大地节约资源和能源，对建设资源节约型、环境友好型两型社会具有重大的意义。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种集热材料的制备方法，其特征在于，包括：

S1、将苯类化合物、甲醛溶解于水中，加入催化剂，以生成水溶液，所述苯类化合物、甲醛以及催化剂的摩尔比为1:1.5～2.5:200～500；

S2、将生成的所述水溶液加热直至形成凝胶，提取所述凝胶；

S3、将所述凝胶进行溶剂置换，得到第二凝胶；

S4、将所述第二凝胶干燥后进行炭化处理。

2.根据权利要求1所述的集热材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3之前，还包括步骤：

将提取的所述凝胶进行老化处理。

3.根据权利要求1所述的集热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：

将所述凝胶分别在至少两种具有不同表面张力的溶剂中进行浸泡置换，得到所述第二凝胶。

4.根据权利要求3所述的集热材料的制备方法，其特征在于：所述凝胶按照所述有机溶液表面张力从大到小的顺序依次进行浸泡置换。

5.根据权利要求1所述的集热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

将所述第二凝胶置于的干燥箱中，并逐渐提升干燥箱内的温度至所述第二凝胶质量不再发生变化，使所述第二凝胶干燥；

将干燥后的所述第二凝胶置于炭化炉中，逐渐提升炭化炉内的温度至设定温度后进行恒温炭化。

6.根据权利要求5所述的集热材料的制备方法，其特征在于：所述干燥箱的起始温度为65℃～90℃，所述炭化炉中充有高纯氮气。

7.根据权利要求1至6任一所述的制备的集热板方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述苯类化合物为间苯二酚或混合甲苯；所述催化剂为NaOH或Na₂CO₃。

8.一种集热板，其特征在于，包括：

透光板以及基板；

所述基板位于所述透光板下方；

所述基板上面喷涂有通过如权利要求1至7中任意一项所述集热材料的制备方法所得到的集热材料；

所述集热材料与所述透光板紧密相连。

9.根据权利要求8所述的集热板，其特征在于，所述透光板为硅气凝胶透光板，所述硅气凝胶透光板由第一基板、第二基板以及位于两者之间的二氧化硅气凝胶层组成。

10.一种集热器，其特征在于，包括：

保温层、底板以及如权利要求8或9中任意一项所述的集热板；

所述保温层位于所述底板以及所述集热板之间；

所述保温层的内部设置有流体管道。

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