CN104613659A - 一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备 - Google Patents

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陶鹏
杨超
宋成轶
尚文
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Abstract

本发明涉及一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，包括底板，设置在底板上，封装有工作介质的封闭热管装置，设置在封闭热管装置的蒸发端的太阳能集热材料，太阳光照射到太阳能集热材料上，利用光热转换效应使光能转换成热能并传递给封闭热管装置内封装的工作介质中，工作介质被加热发生相变并通过热管效应将热传导到使用终端。与现有技术相比，本发明具有光能向热能的转换效率高、热能传输效率高和传输速度快等优点。

Description

一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备
技术领域
本发明属于太阳能光热转变和利用技术领域，尤其是涉及一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备。
背景技术
太阳能是来自太阳的辐射能量，它的产生是由太阳内部氢原子发生核聚变释放出巨大能量引起的。虽然只有不足二十亿亿分之一太阳辐射能量能够穿透地球大气层，但每秒钟到达地球的太阳能容量就与500万吨的煤燃烧所产生的能量相当。鉴于其高容量、全球分布性、可持续性及清洁性的优点，开发和利用太阳能被认为是最有潜力解决全球能源危机的途径之一。目前，人们主要将太阳能转换为电能和热能加以应用。相对而言，光热转换技术被认为是一种更为清洁和高效的太阳能应用技术，尤其是适用于将吸收的太阳能直接用于供热场合。
同时，太阳能又具有分散性、低密度等特点，这些构成了对太阳能充分开发和利用的主要障碍。为实现对太阳光的有效收集，人们已经开发了多种对太阳光吸收的材料，设计制备了结构复杂的多层膜材料并对膜表面进行粗糙化处理。但传统的涂层吸热方式存在光热转换效率偏低的缺点。近年来，金属纳米材料特有的表面等离子共振效应可以高效地将电磁波转化成热能，其理论转换效率接近100％。这些具有高效光热转换效应的新型太阳光吸收材料将极大地提高太阳能的利用效率。
太阳能吸收材料收集转换的热能需要及时、低损耗地传输到使用终端，最终实现对太阳能的光热应用。热管技术的发明改变了人们传统传热的理念，摆脱了单纯依靠提高材料本征导热率单一传热模式。热管技术充分利用了封闭腔体中热传导原理与相变介质的快速高效热传递性质，工作液在受热后发生相变吸收大量热从而将热源端的热量迅速传递到使用终端经冷凝相变释放热量，其传热能力已远远超过导热性最强金属的导热能力。
当前对太阳能的光热利用主要是依靠传统的太阳能吸收层材料将太阳能转换成热能，再利用该热源对水或者油等媒介进行传热。这种太阳能光热利用方式因为太阳光集热材料温度高导致很大一部分收集到的热能又以红外辐射的形式散失掉，存在效率低下的缺点。同时，从太阳能集热层到媒介的传热过程中因为存在界面热阻一部分热能被损耗。通常情况下，现有的太阳能光热利用方式中的对获得热能的传输则往往需要借助于外力如机械泵。如此，增加了对太阳能光热利用的能耗，也会造成部分热能在传输过程中损失。
中国专利CN102290472A公开了一种光热一体型太阳能装置，其包括框架、进水管、出水管、中空板、保温层和相变储热球，框架上设有进水管、出水管和中空板，中空板一侧与进水管连接，另一侧与出水管连接，进水管和出水管外部包裹有保温层，中空板上设有相变储热球。这种光热一体型太阳能装置通过水循环和热交换的作用，利用冷水对光伏层压件进行降温，光伏层压件得以充分冷却，提高光伏发电效率，延长其使用寿命。但是该专利无法实现太阳能热能的高效转换以及热能的快速传输。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现太阳能热能的高效转换以及热能的快速传输而研发的一种基于光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，包括：
底板，
设置在底板上，封装有工作介质的封闭热管装置，
设置在封闭热管装置的蒸发端的太阳能集热材料，将具有电磁波吸收特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构沉积到基体材料上，形成具有高效光热转换效应的太阳能集热材料。
太阳光照射到太阳能集热材料上，利用光热转换效应使光能转换成热能并传递给封闭热管装置内封装的工作介质中，工作介质被加热发生相变并通过热管效应将热传导到使用终端。
优选地，太阳能集热材料为沉积在基体上具有等离子体共振效应的纳米结构金属材料，或是吸收太阳能的金属或无机非金属材料。
更加优选地，具有等离子体共振效应的纳米结构金属材料为金、银、铝、铂或铜，吸收太阳能的金属材料为黑铬、黑色铝箔或氧化铝，吸收太阳能的非金属材料为碳黑、碳纳米管、石墨烯、氧化铁或氮化硅，基体为无尘纸、金属网、金属板、玻璃纤维、硅片或玻璃片等。
优选地，封闭热管装置中的热管为普通热管、平板热管或脉冲热管，封闭热管装置的内部设有吸液芯，该吸液芯结构是将金属粉末或金属网烧结成具有亲水性能的毛细结构，或通过对金属网进行表面化学处理具有亲水性的结构。
优选地，封闭热管装置的蒸发端还由可以透过太阳光的透明材料进行封装。
更加优选地，透明材料为聚甲基丙烯酸甲酯、有机硅树脂、聚氨酯、石英玻璃或透明玻璃等。
优选地，工作介质去离子水、丙酮、乙醇或添加有纳米材料的纳米流体等，工作介质的封装量为热管装置容积的1-60％。
该项基于光热转换与热管效应相结合的太阳能光热利用技术，其整体构造与普通热管相似。与普通热管不同的地方体现在：普通热管的蒸发端只是一个用于接收外界热源热传导引发工作介质发生相变的部位，而本发明的蒸发端内置具有光热转换太阳能集热材料，由光热转换效应收集太阳将其转换为热能并传递给工作介质促进其发生相变。这种光热转换与热相变一体化设计的优势在于：首先，通过纳米结构的等离子共振效应进行的光热转换能量利用效率高；其次，热能实现了转化与传导一体化，克服了热能因为热源与热传导部位之间的界面热阻以及各种材料本身的热阻而造成的能量损失。当太阳光线照射到该器件的集热材料上时，光能与热能快速进行转换，转换的热量传递到周围的工作液中，以气化相变的形式储存到热蒸汽中，热蒸汽在两端的蒸汽压差推动下快速运动到冷凝端，以液化相变的形式放出热量，液化的工作介质在吸液芯的毛细作用下沿管壁快速回流到蒸发端，形成一个快速传热的循环，在不需借助额外动力输入的条件下实现了快速传热的目的。
该技术利用内置在热管内的太阳能集热材料进行光热转换，并利用热管效应来进行快速传热，两者的结合实现了光能与热能的高效转换和热能的快速传输，在太阳能应用领域有着非常广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明制备的太阳能光热设备光热转换与传输性能图。
图中，1-铜板、2-铜网吸液芯、3-光热转换材料、4-不锈钢框架、5-透明亚克力板。
具体实施方式
一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，包括：底板，设置在底板上，封装有工作介质的封闭热管装置，设置在封闭热管装置的蒸发端的太阳能集热材料，将具有电磁波吸收特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构沉积到基体材料上，形成具有高效光热转换效应的太阳能集热材料。
太阳光照射到太阳能集热材料上，利用光热转换效应使光能转换成热能并传递给封闭热管装置内封装的工作介质中，工作介质被加热发生相变并通过热管效应将热传导到使用终端。
太阳能集热材料为沉积在基体上具有等离子体共振效应的纳米结构金属材料，或是吸收太阳能的金属或无机非金属材料。例如，具有等离子体共振效应的纳米结构金属材料为金、银、铝、铂或铜等，吸收太阳能的金属材料为黑铬、黑色铝箔或氧化铝，吸收太阳能的非金属材料为碳黑、碳纳米管、石墨烯、氧化铁或氮化硅，基体为无尘纸、金属网、金属板、玻璃纤维、硅片或玻璃片等。
封闭热管装置中的热管为普通热管、平板热管或脉冲热管，封闭热管装置的内部设有吸液芯，该吸液芯结构是将金属粉末或金属网烧结成具有亲水性能的毛细结构，或通过对金属网进行表面化学处理具有亲水性的结构。
封闭热管装置的蒸发端还由可以透过太阳光的透明材料进行封装。可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力)、有机硅树脂、聚氨酯、石英玻璃或透明玻璃等。工作介质去离子水、丙酮、乙醇或添加有纳米材料的纳米流体等，工作介质的封装量为热管装置容积的1-60％。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。分别以基于金纳米颗粒和碳纳米材料的光热转换与平面热管效应相结合为例对本发明作进一步说明。
实施例1
金纳米颗粒的制备
将HAuCl4溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌1分钟后再加入柠檬酸三钠溶液，然后持续搅拌20分钟后便得到粒径为10～100nm的纳米金颗粒。
等离子共振纳米结构太阳能光热转换集热材料的制备
将适宜大小的无尘纸放入盛有配好金纳米颗粒溶液的烧杯中，加入甲酸溶液，将烧杯放到干燥器内静置一段时间之后，将烧杯取出，抽取出烧杯中的水，将沉积好金纳米颗粒的无尘纸烘干即可。
热管吸液芯的制备
将适宜大小的铜网置于4mol/L的盐酸溶液中浸泡15分钟后用去离子水冲洗干净，然后把铜网浸泡在0.065mol/L的过硫酸钾和2.5mol/L的氢氧化钾混合溶液中，60℃恒温条件下浸泡60分钟后取出，用去离子水冲洗干净后晾干即可。
光热转换平面热管的制备
本发明的结构如图1所示，在底部的铜板11上依次固定铜网吸液芯22、金纳米颗粒无尘纸构成的光热转换材料33、不锈钢框架44、透明亚克力板55，用螺丝固定并用密封胶条进行密封，向热管腔体内加入体积分数为60％的蒸馏水工作介质，对整个装置进行抽真空，完成最终的封装。
光照实验
如图2所示，本发明制备的太阳能光热设备在太阳光输入功率为7.65瓦时，位于热管蒸发端的光热转换材料迅速将太阳能转换为热能，蒸发端温度在500秒内升高到约55摄氏度并保持稳定，与此同时蒸发端收集和转换的热能通过热管效应被传输至冷凝端，冷凝端温度从15摄氏度升高到35摄氏度。
实施例2
太阳能光热转换集热材料的制备
通过在硅片上利用化学气相沉积的方法生长垂直排列的单壁碳纳米管，选用此对太阳光宽谱吸收的材料作为太阳能光热转换材料。
热管吸液芯的制备
将适宜大小的铜网置于4mol/L的盐酸溶液中浸泡15分钟后用去离子水冲洗干净，然后把铜网浸泡在0.065mol/L的过硫酸钾和2.5mol/L的氢氧化钾混合溶液中，60℃恒温条件下浸泡60分钟后取出，用去离子水冲洗干净后晾干即可。
光热转换平面热管的制备
与实施例1相似，在底部的铜板11上依次固定铜网吸液芯22、生长碳纳米管的硅片作为光热转换材料33、不锈钢框架44、透明亚克力板55，用螺丝固定并用密封胶条进行密封，向热管腔体内加入体积分数为1％的蒸馏水工作介质，对整个装置进行抽真空，完成最终的封装。
实施例3
一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，包括：底板，设置在底板上，封装有工作介质的封闭热管装置，设置在封闭热管装置的蒸发端的太阳能集热材料，将具有电磁波吸收特性的金属沉积到基体材料上，形成具有高效光热转换效应的太阳能集热材料。
太阳光照射到太阳能集热材料上，利用光热转换效应使光能转换成热能并传递给封闭热管装置内封装的工作介质中，工作介质被加热发生相变并通过热管效应将热传导到使用终端。
太阳能集热材料为沉积在基体上具有等离子体共振效应的纳米结构金属材料，或是吸收太阳能的金属或无机非金属材料。在本实施例中采用的具有等离子体共振效应的纳米结构金属材料为铝，基体为无尘纸。封闭热管装置中的热管为平板热管，封闭热管装置的内部设有吸液芯，该吸液芯结构是将金属粉末或金属网烧结成具有亲水性能的毛细结构。封闭热管装置的蒸发端还由可以透过太阳光的透明材料进行封装。可以采用有机硅树脂。工作介质去离子水，封装量为热管装置容积的1％。
实施例4
一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，包括：底板，设置在底板上，封装有工作介质的封闭热管装置，设置在封闭热管装置的蒸发端的太阳能集热材料，将具有电磁波吸收特性的微纳米结构沉积到基体材料上，形成具有高效光热转换效应的太阳能集热材料。
太阳光照射到太阳能集热材料上，利用光热转换效应使光能转换成热能并传递给封闭热管装置内封装的工作介质中，工作介质被加热发生相变并通过热管效应将热传导到使用终端。
太阳能集热材料为吸收太阳能的无机非金属材料，本实施例采用的是碳黑，基体为金属网。封闭热管装置中的热管为脉冲热管，封闭热管装置的内部设有吸液芯，该吸液芯结构是将金属粉末或金属网烧结成具有亲水性能的毛细结构，或通过对金属网进行表面化学处理具有亲水性的结构。封闭热管装置的蒸发端由可以透过太阳光的透明材料进行封装。可以采用透明玻璃。工作介质为乙醇，封装量为热管装置容积的60％。

Claims (9)

1.一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，该设备包括：
底板，
设置在底板上，封装有工作介质的封闭热管装置，
设置在封闭热管装置的蒸发端的太阳能集热材料，太阳光照射到太阳能集热材料上，利用光热转换效应使光能转换成热能并传递给封闭热管装置内封装的工作介质中，工作介质被加热发生相变并通过热管效应将热传导到使用终端。
2.根据权利要求1所述的一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，所述的太阳能集热材料为沉积在基体上具有等离子体共振效应的纳米结构金属材料，或是吸收太阳能的金属或无机非金属材料。
3.根据权利要求2所述的一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，
具有等离子体共振效应的纳米结构金属材料为金、银、铝、铂或铜等，
吸收太阳能的金属材料为黑铬、黑色铝箔或氧化铝等，
吸收太阳能的非金属材料为碳黑、碳纳米管、石墨烯、氧化铁或氮化硅等。
4.根据权利要求2所述的一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，所述的基体为无尘纸、金属网、金属板、玻璃纤维、硅片或玻璃片等。
5.根据权利要求1所述的一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，所述的封闭热管装置中的热管为普通热管、平板热管或脉冲热管。
6.根据权利要求1所述的一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，所述的封闭热管装置的内部设有吸液芯，该吸液芯结构是将金属粉末或金属网烧结成具有亲水性能的毛细结构，或通过对金属网进行表面化学处理具有亲水性的结构。
7.根据权利要求1所述的一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，所述的封闭热管装置的蒸发端还由可以透过太阳光的透明材料进行封装。
8.根据权利要求7所述的一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，所述的透明材料为聚甲基丙烯酸甲酯、有机硅树脂、聚氨酯、石英玻璃或透明玻璃等。
9.根据权利要求1所述的一种光热转换和热管效应相结合的太阳能光热设备，其特征在于，所述的工作介质去离子水、丙酮、乙醇或添加有纳米材料的纳米流体等，工作介质的封装量为热管装置容积的1-60％。
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