CN106989528B - 全密封防冻防水保温平板式太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种全密封防冻防水保温平板式太阳能集热器，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，其中，该下基板为一集热基板，采用导热性好的金属材料制成，该下基板表面包覆有一层基于微纳结构的防冻防水层，该防冻防水层利用微纳结构层构建了一种超疏水结构，利用超疏水原理阻隔了下基板与水汽等的接触，能够有效起到防冻防水的效果，同时对下基板防腐蚀效果明显。

Description

全密封防冻防水保温平板式太阳能集热器

技术领域

本申请涉及太阳能集热器领域，尤其涉及一种全密封防冻防水保温平板式太阳能集热器。

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增加，地球上的资源是有限的，能源的问题更为突出。太阳能使人类可以利用的最丰富的能源，也是最为廉价、最清洁的能源，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。

最广泛应用的太阳能集热器分为管式和板式两种，其中，太阳能板式集热器克服了管式集热器的缺点，包括上基板和下基板，下基板为铜、铝合金、不锈钢等材质，在户外容易被腐蚀，不利于其应用。

发明内容

本发明旨在提供一种全密封防冻防水保温平板式太阳能集热器，以解决上述提出问题。

本发明的实施例中提供了一种全密封防冻防水保温平板式太阳能集热器，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；该上基板和下基板相对设置，边框支架设在所述上基板和下基板之间，上基板、下基板及边框支架共同构成一个空腔；所述吸热层设置在所述下基板位于所述空腔内的上表面，多个支撑物间隔的设置在空腔内，并分别与所述上基板和吸热层相接触；该上基板为一透光基板，该吸热层包括一碳纳米管复合材料层，该下基板与上基板相对设置，该下基板为一集热基板，采用导热性好的金属材料制成，该下基板表面包覆有一层基于微纳结构的防冻防水层，该防冻防水层包括设于下基板表面的微纳结构层和涂于微纳结构层上的表面涂层；该微纳结构层包括钨膜阵列和纳米二氧化钛薄膜，钨膜阵列设于下基板表面，纳米二氧化钛薄膜设于钨膜阵列表面。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的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；其中，该下基板为一集热基板，采用导热性好的金属材料制成，该下基板表面包覆有一层基于微纳结构的防冻防水层，该防冻防水层利用微纳结构层构建了一种超疏水结构，利用超疏水原理阻隔了下基板与水汽等的接触，能够有效起到防冻防水的效果，同时对下基板防腐蚀效果明显。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明太阳能集热器的侧视结构示意图。

图2是本发明下基板的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本申请的实施例涉及一种全密封防冻防水保温平板式太阳能集热器，参照图1，该太阳能集热器包括一上基板10、一下基板20、一吸热层30、一边框支架40和多个支撑物50；该上基板10和下基板20相对设置，边框支架40设在所述上基板10和下基板20之间，上基板10、下基板20及边框支架40共同构成一个空腔；所述吸热层30设置在所述下基板20位于所述空腔内的上表面，多个支撑物50间隔的设置在空腔内，并分别与所述上基板10和吸热层30相接触。

该上基板10为一透光基板，用于透过太阳光，采用透明材料制成，如玻璃、透明塑料等，上基板的厚度为5mm。

该吸热层30包括一碳纳米管复合材料层，用于吸收太阳光的能量。

该下基板20与上基板10相对设置，该下基板20为一集热基板，用于收集并传递太阳光的能量，该下基板20可采用导热性好的金属材料制成，比如铝合金不锈钢等，下基板20的厚度为5mm。

由于该金属的下基板20容易被腐蚀，在本申请的技术方案中，如图2，该下基板20表面包覆有一层基于微纳结构的防冻防水层211，该防冻防水层211包括设于下基板20表面的微纳结构层和涂于微纳结构层上的表面涂层。

上述的防冻防水层211利用微纳结构层构建了一种超疏水结构，利用超疏水原理阻隔了下基板与水汽等的接触，能够有效起到防冻防水的效果，同时对下基板防腐蚀效果明显。

该微纳结构层设于下基板表面，包括钨膜阵列和纳米二氧化钛薄膜，纳米二氧化钛薄膜设于钨膜阵列表面，在该微纳结构层中，钨膜阵列是采用紫外光刻结合磁控溅射技术制备，表现为一种微米尺度的阵列，然后在该钨膜阵列表面电沉积有纳米二氧化钛薄膜，由于钨膜阵列的微米尺度，该纳米二氧化钛薄膜也能表现为一种微米尺度的凸起结构，再加上该纳米二氧化钛薄表面的粗糙多孔结构，整体上构成了一种多维的超疏水结构，该多维超疏水结构是具有疏水性能的必要条件之一，其能够隔绝水汽等与下基板的接触，对金属材质的下基板起到防护的作用。

同时，磁控溅射的钨膜阵列和电沉积的纳米二氧化钛薄膜与下基板的表面结合力强，不易脱落，能隔绝氧气、腐蚀性液体等与下基板的接触，起到防护的作用。

优选地，该微纳结构层中，钨膜阵列中单个点阵的长宽高尺度为30×20×1μm，每个点阵之间的上下、左右间隔分别为60μm、50μm；该纳米二氧化钛薄膜的厚度为3μm。

该表面涂层设于微纳结构层中的纳米二氧化钛薄膜之上，为一种低表面能物质，其与纳米二氧化钛薄膜的凸起阵列、粗糙多孔结构一起构成了超疏水的两个必要条件——较高的表面粗糙度和低表面能物质，从而构筑了一种超疏水表面。

在另一种优选地实施方式中，上述的微纳结构层中，在钨膜阵列表面生长有氧化钨纳米线，该氧化钨纳米线构成纳米线薄膜，再在此基础上电沉积纳米二氧化钛薄膜，该纳米二氧化钛薄膜将钨膜阵列、氧化钨纳米线包覆，由于纳米线比表面积较大，增大了与纳米二氧化钛薄膜的结合力，从而大大提高了纳米二氧化钛薄膜与金属基地的结合力。氧化钨纳米线具有优良的半导体性能，一般应用于场发射、气体传感器等领域，而本申请中，利用氧化钨纳米线与具有多孔结构的纳米二氧化钛薄膜构建了一种结合紧密的微纳结构层，降低了微纳结构层的孔隙率，大大提高了防腐蚀效果。

优选地，该氧化钨纳米线的长度为3μm。

实施例1

该防冻防水层的制备过程为：

步骤1，处理下基板：将下基板用800目的砂纸打磨2h，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗干净，烘干；

步骤2，沉积钨膜阵列：在下基板表面涂覆一层光刻胶，烘干，经过曝光、显影，然后利用磁控溅射技术，在显影后的光刻胶表面蒸镀一层钨膜，厚度为1μm，然后利用丙酮将光刻胶洗掉，在下基板表面形成了钨膜阵列；

步骤3，配置二氧化钛前驱体溶液：将12.5ml无水乙醇、0.5ml去离子水及0.25ml盐酸混合，然后将混合液在搅拌的情况下缓慢加入到10ml钛酸四丁酯与12.5ml无水乙醇的混合液中，搅拌30min，超声15min，得到二氧化钛前驱体溶液；

步骤4，制备二氧化钛薄膜：将上述得到的二氧化钛前驱体溶液加入到三电极槽中，将下基板作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂作为对电极，控制电位在-1.3V，沉积时间为200s，用去离子水冲洗后50℃烘干，得到纳米二氧化钛薄膜，钨膜阵列与纳米二氧化钛薄膜构成微纳结构层；

步骤5，制备表面涂层：

将上述得到的覆盖有微纳结构层的下基板放入1ml的十七氟癸脂三甲基色氨酸硅烷的甲苯溶液(5v％)中，密封，在80℃烘箱中保温5h，完成低表面能物质的修饰，微纳结构层与表面涂层构成防冻防水层。

在下基板经过上述的防冻防水层制备后，由于超疏水性能，具有良好的防冻防水效果，并且防腐蚀能力佳，致密型好；对于疏水性，当纳米二氧化钛薄膜厚度不同时，该下基板上的防冻防水层表现不同的接触角，如下表：

纳米二氧化钛薄膜厚度/μm	接触角/度
		0	120
1	137
		2	145
3	162
		4	154
5	149

可以看到，该下基板其最大接触角为162度，表现良好的疏水性，防冻效果佳，不易脱落，能隔绝氧气、腐蚀性液体等与下基板的接触，起到防护的作用。

实施例2

具体步骤如实施例1，区别在于，在沉积钨膜阵列后、电沉积制备纳米二氧化钛薄膜之前，利用CVD方法生长氧化钨纳米线：将该沉积钨膜阵列后的下基板放入管式炉中，利用CVD方法生长氧化钨纳米线，该氧化钨纳米线长度为3μm；

在下基板经过上述的防冻防水层制备后，由于超疏水性能，具有良好的防冻防水效果，并且防腐蚀能力佳，致密型好；对于疏水性，当纳米二氧化钛薄膜厚度不同时，该下基板上的防冻防水层表现不同的接触角，如下表：

纳米二氧化钛薄膜厚度/μm	接触角/度
		0	125
1	141
		2	149
3	163
		4	156
5	150

可以看到，该下基板其最大接触角为163度，表现良好的疏水性，防冻效果佳，不易脱落，能隔绝氧气、腐蚀性液体等与下基板的接触，起到防护的作用。

以上所述仅为本发明的较佳方式，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种全密封防冻防水保温平板式太阳能集热器，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；该上基板和下基板相对设置，边框支架设在所述上基板和下基板之间，上基板、下基板及边框支架共同构成一个空腔；所述吸热层设置在所述下基板位于所述空腔内的上表面，多个支撑物间隔的设置在空腔内，并分别与所述上基板和吸热层相接触；该上基板为一透光基板，该吸热层包括一碳纳米管复合材料层，该下基板与上基板相对设置，该下基板为一集热基板，采用导热性好的金属材料制成，其特征在于，该下基板表面包覆有一层基于微纳结构的防冻防水层，该防冻防水层包括设于下基板表面的微纳结构层和涂于微纳结构层上的表面涂层；该微纳结构层包括钨膜阵列和纳米二氧化钛薄膜，钨膜阵列设于下基板表面，纳米二氧化钛薄膜设于钨膜阵列表面；该微纳结构层中，在钨膜阵列表面生长有氧化钨纳米线；钨膜阵列中单个点阵的长宽高尺度为30×20×1μm，每个点阵之间的上下、左右间隔分别为60μm、50μm；该纳米二氧化钛薄膜的厚度为3μm；该防冻防水层的制备过程为：

步骤1，处理下基板：将下基板用800目的砂纸打磨2h，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗干净，烘干；

步骤2，沉积钨膜阵列：在下基板表面涂覆一层光刻胶，烘干，经过曝光、显影，然后利用磁控溅射技术，在显影后的光刻胶表面蒸镀一层钨膜，厚度为1μm，然后利用丙酮将光刻胶洗掉，在下基板表面形成了钨膜阵列；

步骤3，配置二氧化钛前驱体溶液：将12.5ml无水乙醇、0.5ml去离子水及0.25ml盐酸混合，然后将混合液在搅拌的情况下缓慢加入到10ml钛酸四丁酯与12.5ml无水乙醇的混合液中，搅拌30min，超声15min，得到二氧化钛前驱体溶液；

步骤4，制备二氧化钛薄膜：将上述得到的二氧化钛前驱体溶液加入到三电极槽中，将下基板作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂作为对电极，控制电位在-1.3V，沉积时间为200s，用去离子水冲洗后50℃烘干，得到纳米二氧化钛薄膜，钨膜阵列与纳米二氧化钛薄膜构成微纳结构层；

步骤5，制备表面涂层：

将上述得到的覆盖有微纳结构层的下基板放入1ml的体积分数为5％的十七氟癸脂三甲基色氨酸硅烷的甲苯溶液中，密封，在80℃烘箱中保温5h，完成低表面能物质的修饰，微纳结构层与表面涂层构成防冻防水层。

2.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，上基板的厚度为5mm。

3.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，下基板的厚度为5mm。

4.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，该氧化钨纳米线的长度为3μm。