CN114165929B - 一种具有一体化透光保温层的平板型太阳能集热器吸热体及其制备方法 - Google Patents

一种具有一体化透光保温层的平板型太阳能集热器吸热体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平板型太阳能集热器吸热体,该吸热体的外表面附着有硅烷气凝胶层。该硅烷气凝胶层通过以下方法获得:吸热体在含醇和甲基三甲氧基硅烷的气氛中进行等离子体处理的步骤;在吸热体的表面形成硅烷湿凝胶层的步骤;将硅烷湿凝胶层干燥形成硅烷气凝胶层的步骤。与现有技术相比,本发明的吸热体采用硅烷气凝胶作为其透光保温层,可以省去现有的透明盖板,避免使用透明盖板时产生的各种缺陷。

Description

一种具有一体化透光保温层的平板型太阳能集热器吸热体及 其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能集热器领域,具体涉及一种具有一体化的透光保温层的平板型太阳能集热器吸热体透光保温结构制备方法。
背景技术
图1是现有平板型太阳能集热器一种典型的结构示意图,包括吸热体1、透明盖板2、隔热体3和壳体4,图2是一种典型的吸热体结构示意图,包括吸热材料11、排管12和集管13,太阳辐射能穿过透明盖板被吸热体采集并利用传热工质将吸热体热量通过的排管与集管向外传递输出利用。透明盖板一般采用玻璃盖板,其与吸热体之间的空气夹层起降低吸热体工作时的高温对周围环境的热交换损失,实现透光保温功能。该种透光保温方式主要存在以下问题:1.玻璃盖板自重较大,现场安装和使用均较困难。2.当吸热体温度较高时,空气层在集热器内部会出现自然对流,产生较大的对流热损失。3.空气层还会因有水汽等导致集热器起雾、腐蚀吸热涂层,减少集热器的使用寿命,同时水汽液化还会接触到玻璃盖板,引起凝雾或凝液现象,阻碍了阳光射入太阳能集热器内,影响集热器的集热效率。
发明内容
基于上述现有平板型太阳能集热器透光保温方式的不足,本发明的目的在于通过在平板型太阳能集热器吸热体上制备一体化的透光保温层,从而可以省去透明盖板,避免出现上述问题。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种平板型太阳能集热器吸热体,其特点在于,所述吸热体的外表面附着有硅烷气凝胶层。
一种平板型太阳能集热器,其特点在于,所述平板型太阳能集热器的吸热体采用如上所述的吸热体。
在平板型太阳能集热器吸热体上制备一体化的透光保温层的方法,包括:
吸热体在含醇和甲基三甲氧基硅烷的气氛中进行等离子体处理的步骤;
在吸热体的表面形成硅烷湿凝胶层的步骤;
将硅烷湿凝胶层干燥形成硅烷气凝胶层的步骤。
优选地,所述醇为乙醇和/或乙二醇。
通过蒸发醇和甲基三甲氧基硅烷的混合液体提供等离子体处理所需的醇和甲基三甲氧基硅烷。优选地,混合液体采用甲基三甲氧基硅烷、乙醇和乙二醇体积比为3:1:1的混合液体。
优选地,在吸热体的表面形成硅烷湿凝胶层的步骤包括:
将甲基三甲氧基硅烷、水、乙醇和酸混合形成含硅高分子溶胶;
将含硅高分子溶胶与碱混合后施于吸热体,老化,从而在吸热体的表面形成硅烷湿凝胶层。
更优选地,所述甲基三甲氧基硅烷、水、乙醇和酸的摩尔比为1:3:5:0.003。
优选地,所述酸为盐酸,所述碱为氨水。
优选地,老化的时间为1-4天。
更优选地,含硅高分子溶胶先与环己烷混合均质,再与碱混合。利用环己烷降低表面张力,以利于常压干燥,防止过大的表面张力破坏气凝胶骨架结构。
优选地,干燥的温度为50-120℃。
更优选地,硅烷湿凝胶层先在50℃干燥,再以5℃/小时的速率升温至85℃继续干燥。
利用低温等离子体发生装置,将反应气体(乙醇/乙二醇和甲基三甲氧基硅烷)激发为混合气体氛围的等离子体,通过混合气体氛围的等离子体在平板集热器吸热体表面发生刻蚀及聚合接枝作用,一方面将吸热体材料表面弱边界去除,让材料表面变的粗糙起伏,有利于硅烷气溶胶与吸热体的紧密结合;另一方面,利用乙醇/乙二醇和甲基三甲氧基硅烷混合等离子体化学聚合接枝作用在吸热体粗糙表面形成厚度很薄(几纳米到几百纳米)含有大量-COOH、-OH、-SiO-等活性官能的表面接枝聚合分子链,这些接枝分子链活性官能团能够与硅烷高分子溶胶产生复杂的化学键合及物理作用,从而极大增加硅烷在吸热体表面的结合强度。此外,等离子体还能在材料表面形成交联网状结构可以改变集热器材料表面的锚固力。
有益效果
1、室温条件下硅烷气凝胶导热系数仅为0.013w/(m·K),小于封闭条件下空气导热系数0.023w/(m·K),因此能产生更好的保温效果,防止热损失,同时硅烷气凝胶具有较好的透光性能。
2、硅烷气凝胶的密度仅为3kg/m3,极大程度的减轻了集热器的重量。
3、硅烷气凝胶与吸热体表面的吸热材料通过化学键形成一体化结构,具有较强的粘结强度。等离子体接枝乙醇/乙二醇和甲基三甲氧基硅烷后,可进一步加强硅烷气凝胶与吸热材料的粘结性能,粘结性至少提高50~100%。由于甲基三甲氧基硅烷是拥有双官能基团的分子结构,这些基团可与吸热板表面选择吸收性涂层的铝氮等金属氮化物形成铝-氧、铝-氧-硅、氮-氧、氮-氧-硅共价键,起到与太阳吸热板表面的选择吸收性涂层锚接作用;同时甲基三甲氧基硅烷易与前面制备的硅湿凝胶层通过水解和缩聚作用完全融合为一体。因此等离子体处理引发接枝聚合物在吸热板无机物质和湿凝胶有机物质界面之间架起“分子桥”,增强复合材料的性能。
4、由于以上化学键的作用力比其他作用力大得多,可以增强集热板表面与硅烷气凝胶界面的化学作用,阻止断裂时分子在界面上的相对滑动,把两种性质完全不同的材料连接在一起。
5、本发明的吸热体采用硅烷气凝胶作为其透光保温层,可以省去透明盖板,避免使用透明盖板时产生的各种缺陷。
附图说明
图1为现有平板型太阳能集热器的结构示意图。
图2为现有平板式平板型太阳能集热器的结构示意图。
图3为制备本发明的硅烷气凝胶透光保温层的流程示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明,下面将对本发明进行更全面的描述。但下述方法可以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施实例。
术语的定义:
吸热体,亦称板芯,是平板型太阳能集热器内通过吸热材料吸收太阳辐射能,并通过排管与集管向传热工质传递热量的部件,由吸热材料、集管、排管及其他附件共同组成。
吸热材料包括涂层和基材,是太阳能集热器内吸收太阳辐射能并转成热能的材料。
涂层也称表面或固态薄膜,通常是指薄膜厚度0.2μm ~0.5μm,起到太阳能光-热转换能效的薄膜。
基材:铝板、铜板、不锈钢等。
平板型太阳能集热器包括吸热体、透明盖板、隔热体、壳体。
《GB/T6424—2007平板型太阳能集热器》、《GB/T26974—2011平板型太阳能集热器吸热体技术要求》被全文引入做为本发明技术内容的一部分。
本发明的核心是在吸热体表面提供一种利用等离子体接枝联合溶胶凝胶法制备的一体化的透光保温层,从而无需使用传统的玻璃盖板,避免了传统玻璃盖板自重大、密封性和安全性不佳、使用寿命短、热损失较高等诸多技术问题。
本发明实施例采用惰性气体氩气作为等离子体处理前处理气体氛围,对于吸热体表面进行清洁刻蚀;利用乙醇/乙二醇和甲基三甲氧基硅烷混合等离子体作为等离子体接枝聚合单体氛围。利用等离子体中的高能电子及离子轰击,对吸热体表面的弱边界层物质进行清洁,消除弱边界层,增加吸热体表面粗糙度,从而使硅烷凝胶与吸热体接触面积增大并加强硅烷凝胶与吸热体的结合力。
在后续等离子体接枝处理时通入乙醇/乙二醇和甲基三甲氧基硅烷作为反应单体,利用介质阻挡放电产生反应单体混合等离子体,在吸热体表面发生聚合接枝反应,从而在吸热体表面产生含有丰富的羟基、羰基、硅氧基等活性官能团的接枝分子链,增强硅烷凝胶在吸热体表面的接枝效率,进一步提高硅烷凝胶的锚固力。
透光保温层的具体制备过程包括以下步骤:
(1)清洗射频放电或其他方式(如介质阻挡)发生的低温等离子体设备的反应室,保证反应室内部的清洁,再将太阳能吸热体置于反应室中央,关闭反应室及各路针阀,启动真空泵,抽至10Pa左右然后打开气瓶,将纯氩气通入反应室并通过进气阀控制气体流量使反应室压强保持在100Pa左右,启动电源进行等离子体放电进行预处理,预处理时间为140秒。预处理完毕后,关闭电源但真空泵继续进行抽真空,当反应室压强降到1Pa左右,将体积比为3:1:1的甲基三甲氧基硅烷、乙醇、乙二醇混合液体通过热浴加热蒸发引入反应室,控制反应室压强维持在40~55Pa启动电源进行等离子体放电接枝聚合反应,反应时间控制在200~240秒,反应完毕后,先关闭射频电源,然后再依次关闭进气阀门、真空泵。最后反应室通空气,打开反应室,取出太阳能吸热体。吸热体等离子体处理后应尽快完成放入模具进行溶胶凝胶处理,间隔时间越短越有利于增加气凝胶与吸热体上的结合力;
(2)SiO2气凝胶采用有机烷基硅烷为前驱体,其中有机烷基具有疏水性,制备的湿凝胶骨架具有低表面张力,以利于常压下的干燥。将甲基三甲氧基硅烷与去离子水、无水乙醇(起控制气凝胶密度作用)、盐酸(起催化作用)按照1:3:1:0.003的摩尔比混合后,搅拌40-60 min,使前驱体甲基三甲氧基硅烷充分水解缩聚反应,形成水解后的高分子溶胶液。向上述溶胶液中加入与去离子水体积比3:5的环己烷,采用高速均质仪搅拌混合均匀;
(3)事先制作用于在太阳集热器吸热体上浇覆水解溶胶液凝胶化的模具,将经步骤(1)处理后的吸热体放入后,将步骤(2)所制备的溶胶液按体积比8:1加入氨水快速混合,并在1min内将混合液倾倒入模具进行凝胶;
(4)将模具静置24小时进行凝胶老化,然后在恒温干燥条件下以50℃烘24小时,此后再以5℃/小时梯度升温至85℃烘干48小时形成固态的硅烷气凝胶透光保温层,然后脱模取出吸热体。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,在不脱离本发明原理的前提下,对发明改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.在平板型太阳能集热器吸热体上制备一体化的透光保温层的方法,包括:
吸热体在含醇和甲基三甲氧基硅烷的气氛中进行等离子体处理的步骤;
在吸热体的表面形成硅烷湿凝胶层的步骤;
将硅烷湿凝胶层干燥形成硅烷气凝胶层的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述醇为乙醇和/或乙二醇。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,通过蒸发醇和甲基三甲氧基硅烷的混合液体提供等离子体处理所需的醇和甲基三甲氧基硅烷。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述混合液体中甲基三甲氧基硅烷、乙醇和乙二醇的体积比为3:1:1。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在吸热体的表面形成硅烷湿凝胶层的步骤包括:
将甲基三甲氧基硅烷、水、乙醇和酸混合形成含硅高分子溶胶;
将含硅高分子溶胶与碱混合后施于吸热体,老化,从而在吸热体的表面形成硅烷湿凝胶层。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述甲基三甲氧基硅烷、水、乙醇和酸的摩尔比为1:3:5:0.003。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述酸为盐酸,所述碱为氨水。
8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,老化的时间为1-4天。
9.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述含硅高分子溶胶先与环己烷混合均质,再与碱混合。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,干燥的温度为50-120℃。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,硅烷湿凝胶层先在50℃干燥,再以5℃/小时的速率升温至85℃继续干燥。
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