CN111219889A - 石墨烯平板热管太阳能集热器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯平板热管太阳能集热器及其制备方法。所述的石墨烯平板热管太阳能集热器，由腔体和腔管组成，腔管位于腔体内，其特征在于，所述的腔管由管和管板组成，所述的管板通过焊接或压铸的方式与所述的管组合，所述的管的管腔中充满传热工质，所述的管的至少一端为开放式，并且伸出于腔体之外，所述的腔体为密封体，腔体中为真空、半真空或充满惰性气体；所述的管和管板外侧涂覆有石墨烯涂层。本发明将板式太阳能与真空管太阳能技术完美结合，不仅把平板太阳能集热器的优点，发挥的更好，而且把真空管太阳能集热器的优点发挥到极致。本发明的提出使得太阳能用途更广泛、安装使用更加方便，为利用太阳能提供了新的技术手段。

Description

石墨烯平板热管太阳能集热器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能集热器，尤其涉及一种利用石墨烯新材料与新技术制造的，真空管集热器与平板集热器技术相结合的太阳能集热器。该太阳能集热器热性能高、制作简单、造价低廉、用途广泛、与建筑融为一体。该发明属于太阳能清洁能源领域。

背景技术

太阳能集热器是一种将太阳的辐射能转换为热能的设备。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。由于用途不同，集热器及其匹配的系统类型分为许多种，名称也不同，如用于炊事的太阳灶、用于产生热水的太阳能热水器、用于干燥物品的太阳能干燥器、用于熔炼金属的太阳能熔炉，以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等等。

太阳能集热器的定义是：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。这短短的定义却包含了丰富的含义：

第一：太阳能集热器是一种装置；

第二：太阳能集热器可以吸收太阳辐射；

第三：太阳能能集热器可以产生热能；

第四：太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。

太阳能集热器效率比较高的由收集和吸收装置组成。阳光由不同波长的可见光和不可见光组成，不同物质和不同颜色对不同波长的光的吸收和反射能力是不一样的。黑颜色吸收阳光的能力最强，因此棉衣一般用深色或黑色布。白色反射阳光的能力最强，因而夏季的衬衫多是淡色或白色的。因此利用黑颜色可以聚热。让平行的阳光通过聚焦透镜聚集在一点、一条线或一个小的面积上，也可以达到集热的目的。纸在阳光照射下，不管阳光多么强，哪怕是在炎热的夏天，也不会被阳光点燃。但是，若利用集光器，把阳光聚集在纸上，就能将纸点燃。集热器一般可分为平板集热器、聚光集热器和平面反射镜等几种类型。

平板集热器一般用于太阳能热水器等。聚光集热器可使阳光聚焦获得高温，焦点可以是点状或线状，用于太阳能电站、房屋的采暖(暖气)和空调(冷气)、太阳炉等。按聚光镜构造有“菲涅尔”透镜、抛物面镜和定日镜。

平面反射镜用于太阳能塔式发电，有跟踪设备，一般和抛物面镜联合使用。平面镜把阳光集中反射在抛物面镜上，抛物面镜使其聚焦。

太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品，但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。

太阳能集热器的分类：

1.按集热器的传热工质类型分：液体集热器、空气集热器

2.按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分：聚光型集热器、非聚光型集热器

3.按集热器是否跟踪太阳分为：跟踪集热器、非跟踪集热器

4.按集热器内是否有真空空间分为：平板型集热器、真空管集热器

5.按集热器的工作温度范围分为：低温集热器、中温集热器、高温集热器

6.按集热板使用材料分别为：纯铜集热板、铜铝复合集热板、纯铝集热板平板型

平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。用平板型太阳能集热器组成的热水器即平板太阳能热水器。

当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出；与此同时，温度升高后的吸热板不可避免的要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。

平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。

根据IEA报告，截止到2004年底，平板型集热器占总市场份额的35％，真空管集热器占41％。如果不统计无盖板的太阳能集热器，欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主，约占市场份额的90％；国内市场以真空管为主，2005年约占市场份额的87％，平板型集热器只占12％。

国内平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12％左右，有众多因素造成的：

1)直接系统的平板热水器在冬季不能防冻，须排空，因此冬季不能使用并维护复杂；

2)全玻璃真空管热水器在大部分地区可全年使用；

3)全玻璃真空管由于技术创新，成本大幅度降低，生产企业迅速增加，促进太阳能热水器市场迅速扩大。因此，目前家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的，可以预见在家用热水器中低挡市场中仍将是全玻璃真空管热水器为主。

国外太阳能市场始终以平板集热器为主，是因为国外太阳能系统设计理念的不同。国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统，这类系统一般初投资高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。针对这类系统，平板集热器体现出其自身的技术优势：

1)平板集热器最适合用于承压系统；

2)最适合于双循环的太阳能热水器；

3)最有利于实现太阳能热水器与建筑结合；

4)系统寿命长，维护费用低；

5)大多数情况下可以提供更多的生活热水；

6)平板集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。因此，在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所，平板集热器比全玻璃真空管集热器在系统寿命、系统维护等方面具有明显优势。

目前国内平板太阳能集热器和国外先进水平仍存在一定差距。国内厂家送检测试结果和部分SPF检测报告对比可以看出，我国太阳能集热器瞬时效率的截距略低于国外产品，热损系数差别较大。这表明现有产品在玻璃透过率、高效选择性涂层和整体结构设计方面仍存在差距，因此国内厂家需要努力提高平板太阳能集热器产品性能，开展高效平板太阳能集热器研发。尤其在寒冷地区或太阳能采暖等场合，集热器热性能对太阳能系统收益影响特别显著。

为了提高太阳集热器的效率，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。采用优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料是满足上述要求的重要途径。

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了。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。随着涂层技术的不断进步涂层性能得到了很大的提高。目前我国平板集热器吸收表面主要采用铝条带上阳极化着色和铜条带上黑铬选择性涂层。

间歇式磁控溅射铝-氮-铝材料选择性吸收涂层的镀膜生产技术是随着真空管集热器的产生而发展起来的，基本上代表了当前我国中低温选择性吸收材料的生产水平。由于该涂层耐候性能较差，不适于平板集热器的使用。

目前，国际上发达国家，尤其是欧洲，选择性吸收涂层的生产主要有两个特点，其一是采用真空镀膜技术，其二是采用卷绕式连续镀膜方式。即使是湿法镀膜也采用连续镀膜工艺。如丹麦的BATEC公司是生产黑铬吸收涂层的，在铜条带上采用连续电镀的方法进行生产。年生产能力为十几万平米，产品的光学性能及耐候性都很理想。此外，德国几个生产选择性涂层的公司，如INTERPANE、TINOX、ALANOD公司都是采用真空方法和连续生产方式进行吸收涂层生产的。

真空镀膜技术生产工艺不存在污染问题，涂层光学性能优良，但连续化生产线投资较大，涂层生产成本较高，有些真空镀膜涂层耐候性能不很理想。湿法镀膜技术采用电化学方法生产，工艺设计或生产控制不当，容易造成一定程度的污染，但涂层(如黑铬涂层)连续化生产线投资较小，涂层具有优良的光学性能而且也具有非常优异的耐热耐湿耐候性能，是一种性价比较高的太阳能选择性涂层。

目前，国内多家研究结构和生产厂家均在开展用于平板集热器的高性能太阳能选择性涂层生产工艺和设备研究。因此与国外在太阳能选择性涂层方面的技术差距将会越来越小，这为国内平板集热器技术的提升打下基础。

针对国内平板集热器与国外的技术和质量的差距，应采取以下措施提高平板集热器的性能和质量：

1)研究开发适用于平板太阳能集热器的选择性涂层，涂层应具有高吸收率、低红外发射率、优异的耐热耐湿耐候性能和适宜的加工成本；

2)广泛采用低铁高透过率盖板玻璃。目前已有多个玻璃厂家开始生产适用于太阳能集热器的低铁玻璃，国内外玻璃质量差距越来越小；

3)重视集热器的优化设计，改善制造工艺，保证结构的严密性，减小集热器的散热损失；

4)选用钢化玻璃作为集热器盖板，提高集热器部件质量，采用优化结构设计，确保集热器可以经受防冰雹、淋雨、空晒、耐压、热冲击等性能试验，提高集热器寿命，减少系统维护费用；

5)为适应寒冷地区、太阳能采暖和空调以及工业加热等特殊要求，应开发高效平板集热器。尽快使双层盖板和透明蜂窝等技术产业化，并提高其性价比，使高效平板集热器有较强市场竞争力；

6)跟踪国外平板集热器先进技术和工艺，开发新型平板集热器太阳能系统，提高平板集热器市场占有率。

另外平板太阳能集热器还有以下特点；

1)平板集热器结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，最有利于实现太阳能系统与建筑结合；

2)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；

3)高效平板集热器太阳能系统在同等面积前提下与真空管太阳能系统相比，可以提供更多生活热水；

4)国内平板集热器性能和质量与国外的产品相比，仍存在一定差距。在选择性涂层、盖板玻璃、优化设计和生产工艺等方面有待于进一步提高。

真空管集热器：

真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。用真空管集热器部件组成的热水器即为真空管热水器。

真空管按吸热体材料种类，可分为两类：一类是玻璃吸热体真空管(或称为全玻璃真空管)，一类是金属吸热体真空管(或称为玻璃－金属真空管)。热管式真空管是金属吸热体真空管的一种，它由热管、吸热体、玻璃管和金属端盖等主要部件组成。

热管式真空管与其他类型的太阳能热水器相比，具有以下不可替代的优点：

1.耐冰冻：采用抗冻型热管，即使在－50℃的严寒条件下也不会冻裂。

2.启动快：热管的热容量大，在阳光下几分钟后即可输出热量；而且在多云间晴的天气，比其他热水器能产生更多的热水。

3.不结垢：由于水不直接流经真空管内，避免了因结水垢而引起的水道堵塞问题。

4.保温好：热管具有单向传热的特点，使热水在夜间不会沿热管向下散热到周围环境。

5.承压高：由于玻璃管内不盛水，连接成集热器后可随自来水和循环泵的压力，因而在大中型热水系统应用中独具优势。

6.耐热冲击性好：即使用户偶然误操作，阳光下空晒后的热水器内立即注入冷水，真空管也不会炸裂。

7.安装简便，运行可靠：集热器内的真空管与集热器间是“干性连接”，无热水泄漏问题，安装方便；即使有一根热管出现问题，在维修过程中也不会影响整个系统的正常使用。

正是由于热管式真空管具有以上诸多优点，才越来越受到各国太阳界的重视。北京市太阳能研究所的热管式真空管集热器经过德国和瑞士检测机构的测试，产品热性能指标达到了九十年代国际先进水平，成为了继法国和英国之后世界上第三个可批量生产热管式真空管集热器的单位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的太阳能集热器。本发明所提供的新型的太阳能集热器是利用石墨烯作为涂层材料，将真空管集热器与平板集热器技术相结合而制备得到的一种太阳能集热器。

为了达到上述目的，本发明采用了一下技术手段：

本发明的一种石墨烯平板热管太阳能集热器，由腔体和腔管组成，腔管位于腔体内，所述的腔管由管和管板组成，所述的管板通过焊接或压铸的方式与所述的管组合，所述的管的管腔中充满传热工质，所述的管的至少一端为开放式，并且伸出于腔体之外，所述的腔体为密封体，腔体中为真空、半真空或充满惰性气体；所述的管和管板外侧涂覆有石墨烯涂层，所述的石墨烯涂层由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料组成。

在这里需要说明的是，如果是用在槽式线焦、菲涅尔线性反光镜上的石墨烯平板热管集热器，管板双面都要静电喷涂石墨烯粉末，因为双面都要收集太阳能。如果是单纯用板式太阳能的方法，只喷涂向阳一面即可。

其中，把腔体抽成真空，是为防止空气传递热量的丢失。抽成半真空是防止平板玻璃、树脂、塑料的走形，影响光热的采集，特别是管板制作很大的时候，腔体需要制作很大的时候，或者采用树脂版、塑料板制作腔体的时候，就无法抽成真空或半真空了，只能充惰性气体，密封好就可以防止热量的丢失。

其中，优选的，所述的管和管板分别各自由选自以下的金属材料制成：铜、铝、铁以及不锈钢。

为方便腔管金属选材的说明，我们将金属用英文字母来表示，例如铜A、铝B、铁C、不锈钢D。第一个字母代表管材选用的金属，第二个字母代表管板(管翅、管叶)选用的金属。AA集热管就是铜管铜板组成的，AB集热管就是铜管铝板组成的，BA就是铝管铜板组成，BB就是铝管铝板组成，CA就是铁管铜板组成，CC就是铁管铁板组成，那么DA就是不锈钢管与铜板组成，DD就是不锈钢管与不锈钢板组成等等。大型太阳能中高温度供暖集热器设备，一般都要采用DD材料或DA材料。本发明高温高压无缝不锈钢管设计压力P≤20MPa(10兆帕)以上，安全系数高，线焦管长度可以在150米以上。而一家一户用的采暖设施应该用AA材料，设计压力P≤1.6MPa，因为可利用的太阳能空间面积比较小，所以需要集热效果更好的材料组成才能很好的供暖。

其中，优选的，所述的腔体由透光率好，隔热效果好的材料制成，更优选的，所述的腔体由透光率好，隔热效果好的玻璃、树脂或塑料制成。

其中，优选的，所述的管的管径为10mm～150mm，管壁厚度为1～4mm，所述的管板设置在所述的管的两侧，所述的管板的宽度为100mm～1500mm，厚度为0.05mm～0.1mm。

其中，优选的，所述的传热工质为导热油、硅油或去离子水。

经过石墨烯粉末静电喷涂后的腔管，必须封装在腔体里才能发挥它的集热效果。封装材料的薄厚、大小、位置，原则是根据腔管大小而定，其中，优选的，所述的腔体的内壁与腔管的管的距离是20～50mm，管板边缘与腔体的内壁的距离为10mm～30mm，不可让腔体接触到腔管，如果有接触就会有热量的丢失。

其中，优选的，所述的石墨烯涂层由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料按照以下重量比组成：1：0.4-0.6：0.4-0.6。

一种石墨烯平板热管太阳能集热器组合，其为多个本发明所述的石墨烯平板热管太阳能集热器的串联和/或者并联组合。

其中，优选的，当串联时，所述的管的两端均为开放式，并且同时伸出所述的腔体之外，相邻的石墨烯平板热管太阳能集热器的管的一端彼此紧密连接；当并联时，所述的管的一端为开放式，另一端为封闭式，开放式的一端伸出所述的腔体之外，更优选的，还可将串联的多个石墨烯平板热管太阳能集热器组合再进行并联。

由于石墨烯平板热管太阳能集热器腔体是一个长方形，密封是一个新课题。原则上我们坚持利用腔体材料直接密封集热器腔体，实在无法用腔体材料密封，就用三元乙丙材料密封。三元乙丙具有耐高温、耐高压、耐老化、耐紫外线、耐温差、耐酸碱的特点，是适合用来密封高温、高压材料。是否选用三元乙丙橡胶和三元乙丙胶来密封腔体，是要根据工程实际需要来决定的。利用三元乙丙材料密封高温高压产品是一个比较成熟的技术，特别是在运输、安装、使用过程中，采用三元乙丙材料密封的产品，安全可靠性比较高，小小的碰创不会对产品构成伤害，还可以在现场组装或更换材料。

一种用于制备太阳能集热器的涂层材料，所述的涂层材料由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料组成，优选的，所述的石墨烯涂层由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料按照以下重量比组成：1：0.4-0.6：0.4-0.6。

本发明将这三种材料组合在一起使用，并且通过静电喷涂的方法喷涂在管和管板上，样品经检测，涂层的吸收率α≥0.95，红外发射率ε≤0.91，性能达到国内外平板太阳能集热器涂层先进水平。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

1、本发明的石墨烯平板热管太阳能集热器，是通过新材料和新技术实现光热利用的。主要新材料是石墨烯粉末喷涂材料，它有很好的吸收率，很少的发射率，而且价格便宜。所谓新技术是板式太阳能与真空管太阳能技术的完美结合，这样的结合不仅把平板太阳能集热器的优点，发挥的更好，而且把真空管太阳能集热器的优点发挥到极致。石墨烯平板热管太阳能集热器的发明，使得太阳能用途更广泛、安装使用更加方便，为全民利用太阳能开辟了方便快捷的道路。

2、本发明的的石墨烯平板热管太阳能集热器，该集热器正反两面都可以收集太阳能，相对收集太阳能面积比较大，集热效果好。可以单独竖立使用、并排竖立使用、竖立串联组使用、竖立组排串联使用，可替代板式太阳能集热器，但比目前板式太阳能集热效果好，而且组装极为方便。该新型太阳能集热器还可横摆单独使用，又可横串联组成N米长使用，是替代槽式线焦集热器热管的最佳产品。甚至可以组装多条N米长巨大宽带集热器，集热效果非常好，可以取缔槽式、菲涅耳反光镜的设施，减少投资和维护的成本，而获得更多高温高压的热水和蒸汽。

3、本发明的的石墨烯平板热管太阳能集热器有管式、板式、菲涅尔透镜、抛物面镜和定日镜的优点，又有自己热性能高、集热效果好、使用方便、造价低廉、安全可靠、维护简单、使用寿命长的特点。由于该产品是多个功能俱全、大小、长短、形状可以按照需求改变的独立体，又能方便组合使用，所以它是与建筑融为一体的最佳太阳能产品，是未来太阳能集热器的发展方向。

4、本发明石墨烯平板热管太阳能集热器，从外观看就是一个条巨型平板太阳能集热器，从结构上看实际上是一个压扁了的巨型真空管太阳能集热器。这样的结合，它如同我们盖房子用的砖，装修用的材料，想怎么用就这么用，想怎么组合就这么组合。不仅能够在屋顶用，而且还能在所有向阳面墙体上用，充分利用太阳能为人类造福，为工业用蒸汽，家居供暖发挥巨大的作用。

5、本发明石墨烯平板热管太阳能集热器，制作极为简单。石墨烯平板热管太阳能集热器共分两个部分，即腔体和腔管。腔体内设有腔管，腔管设在腔体内。腔体是由透光效果好的密封玻璃组成，但也可根据需要采用树脂、塑料等透明材料。该集热器可根据需要制成真空、半真空、充氦等惰性气体的独立腔体，可随意组合的组装使用。

6、本发明石墨烯平板热管太阳能集热器的腔管，是集热器的最核心技术，都是由金属制作的，它是一种管板式(管翅式)集热器。该管板式集热器可由铜管铜板、铝管铝板、铜管铝板、铝管铜板、不锈钢管铜板等材料组成。表面采用石墨烯粉末喷涂等技术处理，可以提高集热效果。腔体是确保集热效果良好的辅助措施，要求透光率好，隔热效果好，密封效果好，这样能量才不丢失。

附图说明

图1为本发明的石墨烯平板热管太阳能集热器的结构示意图(侧视图)；

图2为本发明的石墨烯平板热管太阳能集热器的结构示意图(俯视图)；

图3为本发明的石墨烯平板热管太阳能集热器的串联组合示意图；

图4为本发明的石墨烯平板热管太阳能集热器的并联组合示意图；

图5为本发明的石墨烯平板热管太阳能集热器的串联后并联组合示意图；

图6为实验例一基于采光面积A和集热器进口温度t的瞬时效率曲线(线性拟合)；

图7为实验例二基于采光面积A和集热器进口温度t的瞬时效率曲线(线性拟合)；

图8为实验例三基于采光面积A和集热器进口温度t的瞬时效率曲线(线性拟合)。

符号说明：

1-腔体；2-腔管；3-管板；4-管。

具体实施方式

下面结合具体实例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1石墨烯平板热管太阳能集热器

图1以及图2为本发明的石墨烯平板热管太阳能集热器的结构示意图，该石墨烯平板热管太阳能集热器，由腔体1和腔管2组成，腔管2位于腔体1内，所述的腔管2由管4和管板3组成，所述的管板3通过焊接或压铸的方式与所述的管4组合，所述的管4的管腔中充满导热油，所述的管4的一端为开放式，并且伸出于腔体1之外，所述的腔体1为密封体，腔体中为真空、半真空或充满惰性气体；所述的管4和管板3外侧涂覆有石墨烯涂层，所述的石墨烯涂层由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料组成。

其中，一个石墨烯平板热管太阳能集热器长2m、宽330mm、厚130mm，腔体1为玻璃，腔管2为铜管铜板，涂层由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料按照以下重量比组成：1：0.6：0.4。管4内直径为20mm，壁厚为1mm；管板3(管翅、管叶)宽130mm，两侧管板宽度相加共260mm。组装好的石墨烯平板热管太阳能集热器为玻璃真空集热器，腔管悬置在腔体中间，腔管的管与玻璃前后相隔约50mm，左右管板3(管板、管翅)与玻璃各相隔约20mm。

图2-5所示为一种石墨烯平板热管太阳能集热器组合，其为多个本发明所述的石墨烯平板热管太阳能集热器的串联和/或者并联组合的示意图。

当石墨烯平板热管太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明腔体1后，投射在管板3上，被管板3吸收并转化成热能，然后传递给管4内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。

为进一步说明本发明石墨烯平板热管太阳能集热器的先进性，我们分别选择了石墨烯粉末材料、黑铬材料和炭黑材料进行检测实验对比。

检测实验例一：本发明石墨烯平板热管太阳能集热器检测实验

检验依据：GB/T4271—2000平板型太阳能集热器热性能实验方法

检验设备：太阳能热水系统热性能实验温度测量系统、电磁流量计、总辐射表、高性能动态风速传感器；室外温度计；钢卷尺。

检验项目：热性能

检验样品：石墨烯粉末涂层(聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料按照以下重量比组成：1：0.6：0.4)

一个石墨烯平板热管太阳能集热器长2m、宽330mm、厚130mm，三个独立石墨烯平板热管太阳能集热器组装成一个约2m²平板太阳能集热器。

腔体为玻璃，腔管为铜管铜板，涂层为石墨烯粉末。铜管内直径为20mm，壁厚为1mm；管板(管翅、管叶)宽130mm，两侧管板宽度相加共260mm。组装好的石墨烯平板热管太阳能集热器为玻璃真空集热器，腔管悬置在腔体中间，腔管的管与玻璃前后相隔约50mm，左右管板(管板、管翅)与玻璃各相隔约20mm。

基于采光面积A和集热器进口温度t的瞬时效率曲线(线性拟合)如图6所示。

基于进口温度的归一化温度差T₁ ^*＝(t₁-t_a)/G，(m².K)/W

该集热器瞬时效率曲线方程为：η_a＝0.78-62T₁ ^*

式中：T₁ ^*＝(t₁-t_a)/G；

t₁：工质进口温度，℃；

t_a:环境温度，℃

G：集热器采光面上总日射辐照度，W/m²

检测实验例二：本发明石墨烯平板热管太阳能集热器检测实验

检验依据：GB/T4271—2000平板型太阳能集热器热性能实验方法

检验设备：太阳能热水系统热性能实验温度测量系统、电磁流量计、总辐射表、高性能动态风速传感器；室外温度计；钢卷尺。

检验项目：热性能

检验样品：黑铬材料涂层

一个石墨烯平板热管太阳能集热器长2m、宽330mm、厚130mm，三个独立石墨烯平板热管太阳能集热器组装成一个约2m²平板太阳能集热器。

腔体为玻璃，腔管为铜管铜板，涂层为石墨烯粉末。铜管内直径为20mm，壁厚为1mm；管板(管翅、管叶)宽130mm，两侧管板宽度相加共260mm。组装好的石墨烯平板热管太阳能集热器为玻璃真空集热器，腔管悬置在腔体中间，腔管的管与玻璃前后相隔约50mm，左右管板(管板、管翅)与玻璃各相隔约20mm。

基于采光面积A和集热器进口温度t的瞬时效率曲线(线性拟合)如图7所示。基于进口温度的归一化温度差T₁ ^*＝(t₁-t_a)/G，(m².K)/W

该集热器瞬时效率曲线方程为：η_a＝0.72-55T₁ ^*

式中：T₁ ^*＝(t₁-t_a)/G；

t₁：工质进口温度，℃；

t_a:环境温度，℃

G：集热器采光面上总日射辐照度，W/m²

检测实验例三：本发明石墨烯平板热管太阳能集热器检测实验

检验依据：GB/T4271—2000平板型太阳能集热器热性能实验方法

检验设备：太阳能热水系统热性能实验温度测量系统、电磁流量计、总辐射表、高性能动态风速传感器；室外温度计；钢卷尺。

检验项目：热性能

检验样品：炭黑材料涂层

一个石墨烯平板热管太阳能集热器长2m、宽330mm、厚130mm，三个独立石墨烯平板热管太阳能集热器组装成一个约2m²平板太阳能集热器。

腔体为玻璃，腔管为铜管铜板，涂层为炭黑粉末。铜管内直径为20mm，壁厚为1mm；管板(管翅、管叶)宽130mm，两侧管板宽度相加共260mm。组装好的石墨烯平板热管太阳能集热器为玻璃真空集热器，腔管悬置在腔体中间，腔管的管与玻璃前后相隔约50mm，左右管板(管板、管翅)与玻璃各相隔约20mm。

基于采光面积A和集热器进口温度t的瞬时效率曲线(线性拟合)如图8所示。

基于进口温度的归一化温度差T₁ ^*＝(t₁-t_a)/G，(m².K)/W

该集热器瞬时效率曲线方程为：η_a＝0.79-21T₁ ^*

式中：T₁ ^*＝(t₁-t_a)/G；

t₁：工质进口温度，℃；

t_a:环境温度，℃

G：集热器采光面上总日射辐照度，W/m²

通过以上三个检测实验说明，采用石墨烯粉末喷涂材料的集热效果最好，采用炭黑材料涂层虽然吸收率很高，但是发射率也很高，不适合做太阳能集热器的材料。

Claims (10)

1.一种石墨烯平板热管太阳能集热器，由腔体和腔管组成，腔管位于腔体内，其特征在于，所述的腔管由管和管板组成，所述的管板通过焊接或压铸的方式与所述的管组合，所述的管的管腔中充满传热工质，所述的管的至少一端为开放式，并且伸出于腔体之外，所述的腔体为密封体，腔体中为真空、半真空或充满惰性气体；所述的管和管板外侧涂覆有石墨烯涂层，所述的石墨烯涂层由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料组成。

2.如权利要求1所述的石墨烯平板热管太阳能集热器，其特征在于，所述的管和管板分别各自由选自以下的金属材料制成：铜、铝、铁以及不锈钢。

3.如权利要求1所述的石墨烯平板热管太阳能集热器，其特征在于，所述的腔体由透光率好，隔热效果好的材料制成，优选的，所述的腔体由透光率好，隔热效果好的玻璃、树脂或塑料制成。

4.如权利要求1所述的石墨烯平板热管太阳能集热器，其特征在于，所述的管的管径为10mm～150mm，管壁厚度为1～4mm，所述的管板设置在所述的管的两侧，所述的管板的宽度为100mm～1500mm，厚度为0.05mm～0.1mm。

5.如权利要求1所述的石墨烯平板热管太阳能集热器，其特征在于，所述的传热工质为导热油、硅油或去离子水。

6.如权利要求1所述的石墨烯平板热管太阳能集热器，其特征在于，所述的腔体的内壁与腔管的管的距离是20～50mm，管板边缘与腔体的内壁的距离为10mm～30mm。

7.如权利要求1所述的石墨烯平板热管太阳能集热器，其特征在于，所述的石墨烯涂层由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料按照以下重量比组成：1：0.4-0.6：0.4-0.6。

8.一种石墨烯平板热管太阳能集热器组合，其特征在于，其为多个权利要求1-7任一项所述的石墨烯平板热管太阳能集热器的串联和/或者并联组合。

9.如权利要求8所述的石墨烯平板热管太阳能集热器组合，其特征在于，当串联时，所述的管的两端均为开放式，并且同时伸出所述的腔体之外，相邻的石墨烯平板热管太阳能集热器的管的一端彼此紧密连接；当并联时，所述的管的一端为开放式，另一端为封闭式，开放式的一端伸出所述的腔体之外，优选的，是将串联的多个石墨烯平板热管太阳能集热器组合再进行并联。

10.一种用于制备太阳能集热器的涂层材料，其特征在于，所述的涂层材料由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料组成，优选的，所述的石墨烯涂层由聚偏二氟乙烯、石墨烯粉末、黑铬三种材料按照以下重量比组成：1：0.4-0.6：0.4-0.6。

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