CN106524525A - 应用于太阳能热水器的炭黑‑石墨烯纳米太阳能吸收剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于太阳能热水器的炭黑‑石墨烯纳米太阳能吸收剂，由介质水、pH调节剂、纳米粉末和分散剂配制而成；太阳能热水器包括透明真空玻璃箱，用于盛装配置好的太阳能吸收剂和导热水管，进料口；将配置好的太阳能吸收剂的料浆加入到玻璃箱体中，通过太阳光透过真空玻璃箱照射到料浆中，分散在水中的纳米颗粒利用其表面效应高效的吸收太阳光，迅速提高水温。本发明解决现有技术中真空管之间无效的吸波间隙位置，真空管内管表面蒸镀选择性吸波材料，太阳能吸收率低，利用率低和蒸镀工艺复杂，成本高，散热快，隔热效果不好的问题；本发明实现了太阳能的高效吸收利用(达到85％‑95％)，实现过程简单化，成本较低。

Description

应用于太阳能热水器的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂

技术领域

本发明属于太阳能热水器集热系统领域，尤其涉及一种应用于太阳能热水器的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂。

背景技术

目前，随着“节能环保”理念逐步深入到人们的心中，像太阳能这样的清洁能源越来越受到大家的欢迎，其中广受欢迎的太阳能热水器便很好的说明了这一点。太阳能热水器是一种能够将太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水需求的设备。市场上常见的热水器按照结构形式分为：真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器。目前在国内应用最为广泛的是真空管式太阳能热水气器，而国际上一般都是平板式的太阳能热水器应用较多。真空管式太阳能热水器是由：集热器，储热桶，水管、支架及配件等部分组成。真空管是真空集热气的核心部件，是整个太阳能系统的发动机。其优劣性能直接决定了太阳能系统的性能和寿命。管内外玻璃间被抽成高真空，使对流和传导热损失降到最低。目前的太阳能热水器多采用高效Al-N/Al吸热涂层真空管集热器，具有高太阳能吸收比和低发射比涂层，将吸收的太阳辐射转换成热能；利用冷水比重大于热水比重的特点，在真空集热器内形成冷水由上而下、热水由下而上的水流循环，通过这样的循环，使保温水箱内的水温逐渐升高。由于真空集热管的真空夹层具有良好的保温性能，圆柱形的吸热层对太阳有自然跟踪性，因此只要有太阳辐射真空集热管就可以工作，即使在高冷地区，一年四季也可正常运行。但是，由于真空管太阳能集热器是由若干根真空管组成的，管子之间存在着间隙，当太阳光照射到基板上时，有一部分太阳辐射照射到了两真空管间的间隙位置，这对于集热系统来说是一部分无效的能量，只有照射到真空管上的太阳光才能有效的被集热器所吸收转化为热能。所以有效吸收面积小，太阳吸收利用率不是太高为60％左右。同时，真空管内壁外表面是利用高真空反应蒸镀，磁控溅射等技术镀上具有优异的长期稳定性的选择吸收涂层，但是这种技术中涂层工艺比较复杂，成本较高。平板太阳能热水器主要是由平板集热器、储水箱、水管、支架及配件等部分组成，其中平板集热器是平板太阳能热水器的关键部件，其热性能高低是衡量热水器好坏的重要指标。具有较高的热效率。相比于真空管太阳能热水器来说，平板太阳能集热器却是一个连续的平面，整个集热器表面都可以接受太阳光。所以，在相同的采光面积和日照强度下，平板太阳能热水器的日平均效率一般要高于真空管太阳能热水器日平均效率6％以上。具有良好的承压性能。组成大系统时性能稳定。但是平板式太阳能热水器有一些缺点，平板太阳能热水器的版芯不是真空，隔热效果不是很好，自身散热比较大，相较于真空管太阳能，其冬天散热较快。由于其安装需要全铜管连接，内部构造也均为铜件，所以从造价和安装来说，前期投入要比真空管的大。西安利澳科技股份有限公司的专利技术“太阳能吸收涂料”(专利号2010106238566，申请公布号CN 102134428A)中公开了一种用于把太阳能(光)转变成热能的太阳能吸收涂料,它提供了三种太阳能选择性吸收涂料,该涂料由树脂、吸收剂、体质颜料、助剂和溶剂配制而成,涂层颜色是由多种吸收剂(颜料)复配而成的,涂料的主要功能是把太阳能转换成热能,并具有一定的装饰性,涂层颜色为棕红色、深绿色及黑色,涂层对太阳光的吸收比为0.95。但是这种发明还是将吸收涂料应用于真空管壁涂层，在对集热系统的结构方面没有做改进，依然具有真空管式热水器的太阳能的利用率低和造价高，工艺复杂的缺点。芜湖市晨曦新型建材科技有限公司拥有的专利技术“太阳能吸热材料”(专利号2015103912598，申请公布号CN 105038551 A)中公开了太阳能吸热材料，包括以树脂、固化剂、吸收剂、溶剂、助剂、吸收增强剂，他们是通过在涂料中添加2-溴-2-(2-氟苯基)-1-环丙基乙酮，与树脂、吸收剂形成光学陷阱捕获剂，对太阳能的吸收率可达到96-96.5％，发射率为0.2-0.25。但是这项专利主要属于用于平板集热器的太阳能吸热材料。仍然在结构上还是存在平板集热器的自身缺点。吸热效率高，但是散热比较大，隔热效果差。

综上所述，目前国内市场上真空管式热水器对太阳光的有效吸收面积小，在相同的采光面积和日照强度下，真空管太阳能热水器对太阳光吸收利用率仅为60％左右；在玻璃内管外表面上采用高真空反应蒸镀，磁控溅射等技术镀上具有优异的长期稳定性的选择吸收涂层，薄膜或涂层工艺比较复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于太阳能热水器的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂，旨在解决目前国内市场上真空管式热水器对太阳光的有效吸收面积小，在相同的采光面积和日照强度下，真空管太阳能热水器对太阳光吸收利用率仅为60％左右；在玻璃内管外表面上采用高真空反应蒸镀，磁控溅射等技术镀上具有优异的长期稳定性的选择吸收涂层，薄膜或涂层工艺比较复杂，成本较高的问题。

本发明是这样实现的，一种炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂，所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂由纳米粉末、分散剂、分散介质、pH调节剂组成；

按照质量比纳米粉末：分散剂：分散介质：pH调节剂＝1～2:5:100:3；

所述纳米粉末为黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒；分散剂为聚乙二醇PEG4000，分散介质是去离子水；所述pH调节剂由甲酸和氨水组成；甲酸和和氨水的配置体积比为1:1.5～3。

进一步，所述甲酸纯度≥88.0％；所述的氨水纯度为25％～28％；所述pH调节剂的pH为8～10，采用表面活性剂聚乙二醇PEG4000作为黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒在水溶液中分散的分散剂；所述黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒的纯度大于95wt％。

进一步，所述黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒的组分包括纳米炭黑和纳米石墨烯，纳米炭黑：纳米石墨烯＝7:3或纳米炭黑：纳米石墨烯＝6:4或纳米炭黑：纳米石墨烯＝3:7或纳米炭黑：纳米石墨烯＝4:6。

本发明的另一目的在于提供一种所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂的制备方法，所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂的制备方法包括：

每100g的分散介质中加入1g～2g黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒，添加按质量比为0.4％～0.6％的分散剂，并添加甲酸和氨水作为pH调节剂，混合均匀，得到稳定的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂制造的太阳能热水器。

进一步，将炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆向安装在太阳能集热基板上带有密封进料口的透明真空玻璃箱注入；注入的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆完全淹没透明真空玻璃箱内部的导热水管。

进一步，所述太阳能热水器设置有：

水箱，用于存放用水，通过水管将水引进用户；

支架，用于支撑热水器；

进料口，用于加入纳米太阳能吸收料浆，加入料浆后用防腐蚀的耐温塞子塞住，设置在透明真空玻璃箱的上部靠近侧面位置；

导热水管，用于盛装用水，将浆料吸收热量传递到水管中的用水，进行冷热水交换；

透明真空玻璃箱，用于装纳米太阳能吸收料浆，通过进料口将料浆注入真空玻璃箱中，通过太阳光照射玻璃箱使其转化为箱中纳米太阳能吸收剂料浆的热量。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂制造的太阳能集热系统。

本发明将现有真空管式热水器中的真空管用抗高温抗压，防冻的玻璃导热水管代替，集热板上增加一个密封的带有进水口的透明真空玻璃箱，将玻璃导热水管镶嵌在真空玻璃箱中，在真空玻璃箱中加入适量的已经配置好的具有稳定分散性的纳米太阳能吸收剂料浆，当太阳辐射透过透明真空玻璃箱体时，利用纳米颗粒分散水中纳米颗粒自身具有的体积效应和表面效应(较大的比表面积)的特性，对太阳光具有很大的吸收效率和利用率(达到85％～95％)，太阳能转化为真空玻璃箱中料浆的热量，然后通过热量传递将介质料浆的热能传递给了玻璃管中的民用水。这样设计既提高了太阳光的吸收效率，也可以解决现有的技术问题中两个真空管之间有间隙而不能以更大有效面积吸收太阳辐射能量的问题。真空玻璃水箱是用来装配置好的纳米太阳能吸收剂料浆的，而且是可拆卸的，可拆卸是为了将部件分离，方便运输。玻璃箱实现透明，是为了让辐射进入箱体中的太阳能量更大。采用密封，真空，是为了保证箱中的浆料不挥发，而且达到良好的保温效果，尤其夜间或者在温差比较大的地方，可以减小箱内的热量扩散到空气中而造成热损失，从而降低热量吸收效率；

将现有技术中的真空管用抗高温抗压，防冻的玻璃水管代替，主要是因为本发明的纳米吸收剂的料浆是加在真空玻璃箱中，而不是现有技术中的涂层，做成玻璃管有助于浆料吸收的热量快速传递到玻璃管中的用水，在短时间内提高水温。在水中加入一定量的分散剂和适量的纳米黑体颗粒，同时加入水溶液的pH调节剂，使得纳米颗粒稳定的分散悬浮在水中。由于吸收剂颗粒尺寸属于纳米级，具有很大的比表面积，利用纳米颗粒的体积效应和表面效应，当太阳光照射水溶液时，对太阳光的吸收效率较薄膜和涂层材料高。

本发明是在现有真空管式太阳能热水器的基础之上进行方案改进同时又类似于平板式热水器但又不同于平板太阳能热水器的结构。在集热板上增加真空玻璃箱体，在箱体中加入配置好的分散稳定性好的纳米太阳能吸收剂料浆，相当于太阳光照射到了一个大的连续的吸收平面上，通过这种改进方式代替了现有技术中在真空管内管表面蒸镀选择性吸波材料的方式，填充了两真空管间的间隙，增大对太阳光的有效吸收面积，利用纳米颗粒的体积效应和表面效应，对太阳辐射吸收率有较大提高，工艺简单，成本较低。同时因为设计的玻璃箱体是真空的，隔热，防冻效果好，有效的防止料浆的热量损失。

本发明的纳米吸收剂是黑体材料能高效的将太阳能(光)转化为热能，适用于太阳能热水器的集热装置。本发明纳米级炭黑与石墨烯价格差异较大，纳米级炭黑较石墨烯廉价，但吸波性能没有石墨烯突出。在炭黑-石墨烯组成体系中，可以根据实际的A与B两种情况，调整炭黑与石墨烯间的比例：若为了经济(A情况)，可以使用炭黑的用量较石墨烯用量多较好；若为了良好的吸波性能(B情况)，可以使用炭黑的用量较石墨烯用量少较好。炭黑与石墨烯的用量比用字母M表示(即炭黑用量:石墨烯用量＝M)，对于A种情况，M取值分别为7:3和6:4；对于B种情况，M取值分别为3:7和4:6。本发明对太阳光具有很大的吸收效率和利用率达到85％～95％。

附图说明

图1是本发明实施例提供的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的太阳能热水器示意图；

图中：1、水箱保温层；2、水箱；3、进料口；4、支架；5、导热水管；6、透明真空玻璃箱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂由纳米粉末、分散剂、分散介质、pH调节剂组成；

按照质量比纳米粉末：分散剂：分散介质：pH调节剂＝1～2:5:100:3；

所述纳米粉末为黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒；分散剂为聚乙二醇PEG4000，分散介质是去离子水；所述pH调节剂由甲酸和氨水组成；甲酸和和氨水的配置体积比为1:1.5～3。

如图1所示：本发明实施例提供的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂的制备方法，包括以下步骤：

S101：每100g的分散介质中加入1g～2g黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒，添加按质量比为0.4％～0.6％的分散剂，并添加甲酸和氨水作为pH调节剂，混合均匀，得到稳定的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆；

S102：将炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆向安装在太阳能集热基板上带有密封进料口的透明真空玻璃箱注入；注入的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆完全淹没透明真空玻璃箱内部的导热水管。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明的纳米级炭黑与石墨烯价格差异较大，纳米级炭黑较石墨烯廉价，但吸波性能没有石墨烯突出。在炭黑-石墨烯组成体系中，可以根据实际的A与B两种情况，调整炭黑与石墨烯间的比例：若为了经济(A情况)，可以使用炭黑的用量较石墨烯用量多较好；若为了追求良好的吸波性能(B情况)，可以使用炭黑的用量较石墨烯用量少较好。炭黑与石墨烯的用量比用字母M表示(即炭黑用量:石墨烯用量＝M)，对于A种情况，M取值分别为7:3和6:4；对于B种情况，M取值分别为3:7和4:6。

本发明提供的应用于太阳能热水器的方法，其步骤为：

1)料浆配置：分散介质为去离子水，用甲酸(纯度≥88.0％)和氨水(纯度：25％-28％)作为pH调节剂(更佳范围pH＝8～10)，表面活性剂聚乙二醇4000(PEG4000)可作为纳米炭黑-石墨烯颗粒在水溶液中分散的分散剂，炭黑-石墨烯颗粒的纯度大于95wt％。每100g的分散介质中加入1～2g纳米炭黑-石墨烯颗粒，当PEG4000的用量为0.4％～0.6％时，PEG4000在纳米炭黑-石墨烯颗粒的表面形成了有效包覆，产生了空间位阻稳定作用，阻碍了颗粒团聚沉降，得到稳定的悬浮液。

2)按照太阳能集热基板的尺寸大小，在基板上设计一个密封的带有进料口的透明真空玻璃箱体，高度比真空管高出2-5cm左右，进料口设置在上部侧面靠近水箱的位置，设置在顶部可以方便加料浆，同时考虑到顶部侧面可以有效防止由于太阳光的照射，而通过进料口的密封塞挥发纳米太阳能吸收剂料浆。

3)由进料口通过进水管注入适量的已经配制好的分散稳定性好的纳米太阳能吸收剂料浆。让料浆刚好完全淹没玻璃导热水管。

如图2所示：本发明实施例提供的太阳能热水器，由水箱2、支架4、进料口3、导热水管5、透明真空玻璃箱6组成；水箱2由水箱保温层1、进水口、溢水口和内胆水箱组成；水箱用于存放用水，通过水管将水引进用户。支架4是用于支撑整个热水器装置。进料口3是用于加入纳米太阳能吸收料浆的，加入料浆后用防腐蚀的耐温塞子塞住，设计在透明真空玻璃箱的上部靠近侧面位置，可以避免太阳光直接照射而造成纳米太阳能吸收剂料浆通过塞子挥发。导热水管5是用于盛装用水，代替了现有技术中的真空管，导热效果好，主要用于将浆料吸收热量传递到水管中的用水，进行冷热水交换，使得管内的水的温度迅速提高。透明真空玻璃箱6是用来装纳米太阳能吸收料浆的，通过进料口将料浆注入真空玻璃箱中，通过太阳光照射玻璃箱使其转化为箱中纳米太阳能吸收剂料浆的热量。

本发明是在现有真空管式太阳能热水器的基础之上进行方案改进同时又类似于平板式热水器但又不同于平板太阳能热水器的结构。在集热板上增加真空玻璃箱体，在箱体中加入配置好的分散稳定性好的纳米太阳能吸收剂料浆，相当于太阳光照射到了一个大的连续的吸收平面上，通过这种改进方式代替了现有技术中在真空管内管表面蒸镀选择性吸波材料的方式，填充了两真空管间的间隙，增大对太阳光的有效吸收面积，利用纳米颗粒的体积效应和表面效应，对太阳辐射吸收率有较大提高，工艺简单，成本较低。同时因为设计的玻璃箱体是真空的，隔热，防冻效果好，有效的防止料浆的热量损失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂，其特征在于，所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂由纳米粉末、分散剂、分散介质、pH调节剂组成；

按照质量比纳米粉末：分散剂：分散介质：pH调节剂＝1～2:5:100:3；

所述纳米粉末为黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒；分散剂为聚乙二醇PEG4000，分散介质是去离子水；所述pH调节剂由甲酸和氨水组成；甲酸和和氨水的配置体积比为1:1.5～3。

2.如权利要求1所述的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂，其特征在于，所述甲酸纯度≥88.0％；所述的氨水纯度为25％～28％；所述pH调节剂的pH为8～10，采用表面活性剂聚乙二醇PEG4000作为黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒在水溶液中分散的分散剂；所述黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒的纯度大于95wt％。

3.如权利要求1所述的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂，其特征在于，所述黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒的组分包括纳米炭黑和纳米石墨烯，纳米炭黑：纳米石墨烯＝7:3或纳米炭黑：纳米石墨烯＝6:4或纳米炭黑：纳米石墨烯＝3:7或纳米炭黑：纳米石墨烯＝4:6。

4.一种如权利要求1所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂的制备方法，其特征在于，所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂的制备方法包括：

每100g的分散介质中加入1g～2g黑色纳米炭黑-石墨烯颗粒，添加按质量比为0.4％～0.6％的分散剂，并添加甲酸和氨水作为pH调节剂，混合均匀，得到稳定的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆。

5.一种利用权利要求1～3任意一项所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂制造的太阳能热水器。

6.如权利要求5所述的太阳能热水器，其特征在于，将炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆向安装在太阳能集热基板上带有密封进料口的透明真空玻璃箱注入；注入的炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂料浆完全淹没透明真空玻璃箱内部的导热水管。

7.如权利要求5所述的太阳能热水器，其特征在于，所述太阳能热水器设置有：

水箱，用于存放用水，通过水管将水引进用户；

支架，用于支撑热水器；

进料口，用于加入纳米太阳能吸收料浆，加入料浆后用防腐蚀的耐温塞子塞住，设置在透明真空玻璃箱的上部靠近侧面位置；

导热水管，用于盛装用水，将浆料吸收热量传递到水管中的用水，进行冷热水交换；

透明真空玻璃箱，用于装纳米太阳能吸收料浆，通过进料口将料浆注入真空玻璃箱中，通过太阳光照射玻璃箱使其转化为箱中纳米太阳能吸收剂料浆的热量。

8.一种利用权利要求1～3任意一项所述炭黑-石墨烯纳米太阳能吸收剂制造的太阳能集热系统。