JP2009257749A - 太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、カーボンナノチューブ構造体を含む太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システムに関する。
【解決手段】本発明の太陽集熱器は、基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置した透明なカバーと、前記基板、前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収層と、を含む。前記熱吸収層はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブは、絡み合っている。本発明は、前記太陽集熱器を利用した太陽集熱システムも提供している。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システムに関し、特にカーボンナノチューブを利用した太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システムに関するものである。

太陽エネルギーを利用する技術には、太陽光発電と太陽熱利用の２つがある。太陽エネルギーは、太陽電池や太陽集熱器の受光面によって採取され、電力や熱に変換されて利用することができる。一般的に、太陽集熱器には、「平板型」と「真空ガラス管型」がある。「平板型」は、集熱器全体が平たい板状になり、表面は透明なガラス板で覆われ、下部には熱が逃げないよう断熱材が使われている。「真空ガラス管型」は、集熱部を真空のガラス管で密閉して、集めた熱が外へ逃げにくい構造となっている。平板型の太陽集熱器は、良好な利用効率及び低いコストという優れた点があるので、広く利用されている。

図４を参照すると、従来の平板型の太陽集熱器５００は、基板５２と、該基板５２の周辺に沿って設置した側壁５６と、前記基板５２に対向して、前記側壁５６の前記基板５２に接触する側の反対側に設置した透明なカバー５０と、を含む。前記基板５２と、前記側壁５６と、前記透明なカバー５０とは、チャンバー６０を形成する。該チャンバー６０の中に、複数の支持体５８を設置する。前記基板５２は、例えば、銅やアルミニウムなどの光吸収材料からなる。光は前記透明なカバー５０を透過して前記太陽集熱器５００の中に入射して、前記基板５２で吸収される。前記光により生じた熱は、貯蓄装置（図示せず）に伝送されて貯蓄されることができる。

Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、前記太陽集熱器５００の高効率を保持するために、前記基板５２の酸化を防止しなければならない。このため、前記基板５２を真空の雰囲気において製造する必要がある。また、前記太陽集熱器５００の熱吸収効率は、基板５２の材料により決められる。従って、従来の太陽集熱器は、コストが高く、熱吸収率が低いという課題がある。

従って、前記課題を解決するために、本発明は、カーボンナノチューブを利用した太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システムを提供する。

本発明の太陽集熱器は、基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置した透明なカバーと、前記基板、前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収層と、を含む。前記熱吸収層はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブはが、絡み合っている。

前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、均一に分布している。

単一の前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは０．５〜１００μｍである。単一の前記カーボンナノチューブの長さは１０μｍ以上である。

前記カーボンナノチューブ構造体のカーボンナノチューブは等方的に配列されている。

隣接するカーボンナノチューブは相互に絡み合って、微多孔構造に形成されている。単一の微小孔の直径が１０μｍにされている。

本発明の太陽集熱システムは太陽集熱器と、熱貯蓄装置と、を含む。前記太陽集熱器は、基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置した透明なカバーと、前記基板及び前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収層と、を含む。前記太陽集熱器の熱吸収層はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブが、絡み合っている。

従来の技術と比べて、本発明は次の優れた点を有する。第一に、本発明に利用したカーボンナノチューブ構造体は、良好な光吸収特性を有するので、本発明の太陽集熱器の光吸収率が高くなる。第二に、前記カーボンナノチューブ構造体は強い強靱性を有するので、本発明の太陽集熱器の耐久性が優れる。第三に、カーボンナノチューブ構造体は酸化し難いので、太陽集熱器を真空の雰囲気において製造する必要がないので、本発明の太陽集熱器のコストが低くなる。

本発明の太陽集熱システムの模式図である。 本発明の太陽集熱器の上面図である。 本発明の実施例１におけるカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 従来の太陽集熱器の模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１及び２を参照すると、本実施例の太陽集熱システム１００は、太陽集熱器１０と、該太陽集熱器１０に接続された貯蓄装置２０と、を含む。前記貯蓄装置２０は、前記太陽集熱器１０に生じた熱を貯蓄するために利用される。

前記太陽集熱器１０は、基板１１と、側壁１２と、透明なカバー１３と、熱吸収体１４と、複数の支持体１５と、を含む。前記基板１１は、第一表面１１１及び該第一表面に対向する第二表面１１２を含む。前記透明なカバー１３は、表面１３１を含む。前記側壁１２は、前記基板１１の周辺に沿って前記基板１１の第一表面１１１に垂直に立つように設置する。前記透明なカバー１３は、前記基板１１の第一表面１１１に対向して、前記側壁１２の前記基板１１に接触する側の反対側に設置する。前記基板１１と、前記側壁１２と、前記透明なカバー１３とは、チャンバー１６を形成する。前記複数の支持体１５は、前記チャンバー１６の中に設置されている。前記熱吸収体１４は、前記基板１１の第一表面１１１に設置されるように、前記チャンバー１６の中に設置されている。

前記基板１１は、例えば、金属、ガラス、ポリマーなどの熱伝導材料からなる。前記基板１１の厚さは、１００μｍ〜５ｍｍである。前記基板１１の形状に対しては特に制限がなく、三角形、四角形又は六角形の形状に形成されることができる。

前記透明なカバー１３は、ガラス、プラスチック、セラミック、ポリマーなどの透明な材料からなる。前記透明なカバー１３の厚さは、１００μｍ〜５ｍｍである。前記透明なカバー１３の形状に対しては特に制限がなく、三角形、四角形又は六角形の形状に形成されることができる。

前記側壁１２は前記透明なカバー１３を支持するために、前記透明なカバー１３及び前記基板１１の間に設置されている。前記側壁１２は、ガラス、プラスチック、ポリマーなどの材料からなる。前記側壁１２の厚さは、１００μｍ〜５００μｍであるが、１５０μｍ〜２５０μｍであることが好ましい。

前記チャンバー１６は真空又は大気で満ちている。本実施例において、前記チャンバー１６は大気で満ちている。さらに、前記基板１１の酸化を防止するために、前記チャンバー１６の中に、窒素や不活性ガスなどの断熱ガスも注入されることができる。

前記熱吸収体１４はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は、均一に分布された複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブは、絡み合い、且つ前記カーボンナノチューブ構造体の表面に平行な平面において、等方的に配列されている。前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは０．５〜１００μｍであり、単一の前記カーボンナノチューブの長さは１０μｍ以上であるが、１０μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。

前記カーボンナノチューブ構造体のカーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に平行な平面において、等方的に配列されているので、前記カーボンナノチューブ構造体において均一な電気伝導及び熱伝導が形成されることができる。また、前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。図３を参照すると、前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネットに形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配列されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０μｍ以下になる。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、相互に絡み合って配列されるので、該カーボンナノチューブ構造体は完璧な柔軟性があり、任意の形状に湾曲して形成させることができる。用途に応じて、前記熱吸収体１４に利用されるカーボンナノチューブ構造体の長さ及び幅を調整することができる。

前記カーボンナノチューブ構造体の製造方法は、次の工程を含む。

第一ステップでは、カーボンナノチューブ原料を提供する。

前記カーボンナノチューブ原料は、次のようにして得られる。まず、シリコン基板にカーボンナノチューブアレイを成長させる。次に、ブレードなどの工具を利用して、前記カーボンナノチューブを前記シリコンから削剥して、カーボンナノチューブ原料が得られる。ここで、前記カーボンナノチューブ原料において、単一のカーボンナノチューブの長さは、１０μｍ以上である。

本実施形態において、前記カーボンナノチューブアレイは化学気相堆積方法（ＣＶＤ法）により成長される。次に、前記カーボンナノチューブアレイの成長工程について詳しく説明する。まず、基材を提供する。該基材は、Ｐ型又はＮ型のシリコン基材、又は表面に酸化物が形成されたシリコン基材が利用される。本実施形態において、厚さが４インチのシリコン基材を提供する。次に、前記基材の表面に触媒層を堆積させる。該触媒層としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金である。次に、前記触媒層が堆積された前記基材を、７００〜９００℃、空気の雰囲気において３０〜９０分間アニーリングする。最後に、前記基材を反応装置内に置いて、保護ガスを導入すると同時に前記基材を５００〜７００℃に加熱して、５〜３０分間カーボンを含むガスを導入する。これにより、高さが２００〜４００μｍの超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１）が成長される。前記超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行に基材に垂直に成長する複数のカーボンナノチューブからなる。前記の方法により、前記超配列カーボンナノチューブアレイにアモルファスカーボン又は触媒剤である金属粒子などの不純物が残らず、純粋なカーボンナノチューブアレイが得られる。

本実施例において、前記カーボンを含むガスはアセチレンなどの炭化水素であり、保護ガスは窒素やアンモニアなどの不活性ガスである。勿論、前記カーボンナノチューブアレイは、アーク放電法又はレーザー蒸発法によっても得られることができる。

第二ステップでは、前記カーボンナノチューブ原料を溶媒に浸漬して綿毛構造を形成させる第一サブステップと、該綿毛構造のカーボンナノチューブをろ過してカーボンナノチューブ構造体を形成させる第二サブステップと、を含む。

前記第二ステップの第一サブステップにおいて、前記溶媒は、水又は揮発性有機溶剤である。さらに、前記カーボンナノチューブ原料を前記溶媒に浸漬した後、超音波式分散又は高強度攪拌又は振動などの方法により、前記カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる工程が提供されている。本実施形態において、超音波式分散方法により、カーボンナノチューブを含む溶剤に対して１０〜３０分間処理する。カーボンナノチューブは大きい比表面積を持ち、カーボンナノチューブの間に大きい分子間力があるので、前記カーボンナノチューブはそれぞれもつれて、綿毛構造に形成されている。

前記第二ステップの第二サブステップにおいて、まず、微多孔膜又はエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇ Ｆｕｎｎｅｌ）を提供する。次に、前記微多孔膜又はエアーポンプファネルを利用して、前記綿毛構造のカーボンナノチューブを含む溶剤をろ過して、溶剤を除去させる。最後、前記微多孔膜に残った前記綿毛構造のカーボンナノチューブを乾燥させて、カーボンナノチューブ構造体を形成させる。

前記微多孔膜は、平滑な表面を有する。該微多孔膜において、単一の微小孔の直径は、０．２２μｍにされている。前記微多孔膜は平滑な表面を有するので、前記カーボンナノチューブ構造体は容易に前記微多孔膜から剥落することができる。さらに、前記エアーポンプを利用することにより、前記綿毛構造のカーボンナノチューブに空気圧をかけるので、均一なカーボンナノチューブ構造体を形成させることができる。

前記方法により製造されるカーボンナノチューブ構造体は次の優れた点がある。第一では、複数のカーボンナノチューブが分子間力で絡み合って綿毛構造に形成されているので、カーボンナノチューブ構造体は良好な耐久性がある。第二では、本実施形態のカーボンナノチューブ構造体の製造方法は簡単及び高効率である。また、本実施形態の製造方法は、真空の雰囲気及び加熱処理が必要でないので、コストが低く、製造環境が安全であり、エネルギー効率が良いという優れた点もある。

前記支持体１５は、前記太陽集熱器１０の強度を増加するために設置されている。前記支持体１５は、ランダムに設置され、又は所定のパターンによって前記チャンバー１６の中に設置されることができる。隣接する前記支持体１５は、所定の距離で分離している。前記支持体１５は、例えば、ガラス、プラスチック、ゴムなどの断熱材料からなる。

さらに、前記太陽集熱器１０は反射層１７を含む。前記反射層１７は、前記透明なカバー１３の表面１３１に設置されている。前記反射層１７は、可視光及び近赤外線光、紫外線光を前記透明なカバー１３から透過させ、前記熱吸収層１４で放射された遠赤外線光を反射することができるので、前記反射層１７を利用することにより、前記チャンバー１６の熱が外部へ放射されることを防止することができる。従って、前記太陽集熱器１０の光吸収率を高めることができる。前記反射層１７は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）又は二酸化チタンからなる。前記反射層１７の厚さは、１０ｎｍ〜１μｍである。

前記貯蓄装置２０は、循環液体が充填された複数のパイプ（図示せず）を含み、前記基板１１の第二表面１１２に設置されている。前記液体は、水やグリコールなどの液体である。

前記カーボンナノチューブ構造体は黒いものであるので、太陽光に対して光吸収率が高い。太陽光は前記透明なカバー１３を透過して前記熱吸収層１４に達すると、太陽光の大部分は前記熱吸収層１４で吸収されて熱エネルギーに変化する。前記熱エネルギーは前記基板１１から前記貯蓄装置２０に伝送される。前記カーボンナノチューブ構造体は、良好な光吸収特性を有するので、前記太陽集熱器の光吸収率が高くなる。また、前記カーボンナノチューブ構造体は強い強靱性を有するので、本発明の太陽集熱器の耐久性が優れる。また、カーボンナノチューブ構造体は酸化し難いので、太陽集熱器は真空の雰囲気において製造する必要がないので、本発明の太陽集熱器のコストが低くなる。

１０ 太陽集熱器
１００ 太陽集熱システム
１１ 基板
１１１ 第一表面
１１２ 第二表面
１２ 側壁
１３ 透明なカバー
１３１ 表面
１４ 熱吸収体
１５ 複数の支持体
１６ チャンバー
１７ 反射層
２０ 貯蓄装置

Claims (6)

1. 基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置した透明なカバーと、前記基板、前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収層と、を含み、
   前記熱吸収層がカーボンナノチューブ構造体を含み、
   前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含み、
   前記複数のカーボンナノチューブが、絡み合っていることを特徴とする太陽集熱器。
2. 前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが、均一に分布していることを特徴とする、請求項１に記載の太陽集熱器。
3. 単一の前記カーボンナノチューブ構造体の厚さが０．５〜１００μｍであり、
   単一の前記カーボンナノチューブの長さが１０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の太陽集熱器。
4. 前記カーボンナノチューブ構造体のカーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に平行な平面において、等方的に配列されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽集熱器。
5. 隣接するカーボンナノチューブは相互に絡み合って、微多孔構造に形成され、
   単一の微小孔の直径が１０μｍにされていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽集熱器。
6. 基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置した透明なカバーと、前記基板及び前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収層と、を含む太陽集熱器と、
   熱貯蓄装置と、
   を含む太陽集熱システムにおいて、
   前記太陽集熱器の熱吸収層がカーボンナノチューブ構造体を含み、
   前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含み、
   前記複数のカーボンナノチューブが、絡み合っていることを特徴とする太陽集熱システム。