[發(fā)明專利]微納米石墨片流體太陽能集熱器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410117793.5
• 申請日: 2014-03-26
• 公開（公告）號: CN103940104A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧梁;楊文暉;呂行;魏樹峰;王慧賢;王錚
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: F24J2/05
• 分類號: F24J2/05;F24J2/24;F24J2/30;F24J2/48;C09K5/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 關(guān)玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種太陽能集熱器，特別是微納米石墨片流體太陽能集熱器。

背景技術(shù)

太陽能集熱器光熱轉(zhuǎn)換屬太陽能利用的關(guān)鍵技術(shù)，太陽能集熱器效率主要是由光熱轉(zhuǎn)換的兩個因素決定，一是集熱器對太陽輻射能的吸收能力，二是集熱器的散熱損失程度。因此,為提高集熱器的效率,在保持最大限度地吸收太陽能的同時,盡可能減小其熱損。

現(xiàn)有的太陽能集熱器主要有平板型和真空管式集熱器，都屬于間接吸收式集熱器,太陽輻射在通過鍍涂在平板和真空管的選擇性涂層吸收并轉(zhuǎn)化為熱量后,再通過涂層涂覆的金屬板或玻璃管壁的導(dǎo)熱才能傳遞至水或?qū)嵊凸ぷ鹘橘|(zhì)。這種間接吸收式集熱器的最高溫度點集中在集熱介質(zhì),傳熱路徑是，集熱介質(zhì)向涂覆的金屬板或玻璃管壁傳熱，涂覆的金屬板或玻璃管壁向工作介質(zhì)傳熱，涂覆集熱介質(zhì)的金屬板或玻璃管壁另一側(cè)則向管外環(huán)境發(fā)生輻射和對流散熱，這無疑增大了系統(tǒng)的散熱損失。以現(xiàn)有的太陽能熱水器為例，太陽能集熱器采用透明玻璃真空管作為保溫裝置，利用二次傳熱的方式傳遞熱量，即利用鍍涂在透明玻璃內(nèi)管外壁的集熱介質(zhì)吸收太陽光熱，將吸收到的太陽光轉(zhuǎn)換熱再通過透明玻璃內(nèi)管管壁傳遞給工作介質(zhì)水。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)較低，固液間熱阻較大，溫差大時傳熱效率高，溫差小時傳熱效率低。溫差愈大，必然集熱介質(zhì)溫度愈高；而集熱介質(zhì)溫度愈高，集熱介質(zhì)對外輻射造成的熱量損失愈大。因此，現(xiàn)有的太陽能集熱器的集熱效率低。

現(xiàn)有的太陽能真空管集熱器，一類是玻璃吸熱體真空管（或稱為全玻璃真空管），一類是金屬吸熱體真空管（或稱為玻璃－金屬真空管）。太陽能真空管集熱器由外管、內(nèi)管、外管與內(nèi)管之間的空腔組成，集熱介質(zhì)鍍涂在玻璃內(nèi)管的外壁或金屬內(nèi)管的外壁，外管與內(nèi)管之間的空腔抽真空。

光譜選擇性吸收涂層由具有光譜選擇性吸收特性的材料組成，必須是一種復(fù)合材料，即由吸收太陽光輻射和反射紅外光譜兩部分材料組成。吸收輻射是指當輻射通過物質(zhì)時，其中某些頻率的輻射被材料粒子(原子、離子或分子等)選擇性地吸收，從而使輻射強度減弱的現(xiàn)象。吸收輻射的原理是物質(zhì)粒子發(fā)生由低能級(一般為基態(tài))向高能級(激發(fā)態(tài))的躍遷。太陽光譜區(qū)的波長在0.3～2.5μm的太陽輻射強度最大，對該光譜區(qū)的光量子吸收最為關(guān)鍵。因此，集熱涂層材料中只有存在與波長0.3～2.5μm光子的能量相對應(yīng)的能級躍遷，才具有較好的選擇吸收性。一般來說，金屬、金屬氧化物、金屬硫化物和半導(dǎo)體等發(fā)色體粒子的電子躍遷能級與可見光譜區(qū)的光子能量較為匹配，是制備太陽能選擇性涂層吸收層的主要材料，如黑鉻(Cr_xO_y)、黑鎳(NiS-ZnS)、氧化銅黑(Cu_xO_y)和四氧化三鐵(Fe₃O₄)等。而作為選擇性吸收涂層的另一部分——紅外反射層則一般采用紅外反射率較高的材料，如銅、鋁等金屬，以獲得較低的紅外發(fā)射率，達到減少自身輻射熱損的目的。

集熱介質(zhì)通過不同的工藝方法選擇不同的材料附著于玻璃內(nèi)管外壁，或金屬內(nèi)管外壁；其包括有：

噴涂方法：硫化鉛、氧化鈷、氧化鐵、鐵錳銅氧化物。

化學(xué)方法：氧化銅、氧化鐵。

電化學(xué)方法：黑鉻、黑鎳、黑鈷、鋁陽極氧化。

真空蒸發(fā)方法：黑鉻/鋁、硫化鉛/鋁。

磁控濺射方法：鋁-氮/鋁，鋁-碳氧/鋁，不銹鋼-碳/鋁。

目前主要集熱介質(zhì)有如下幾種：如硫化鉛(PbS)、黑鉻(Cr_xO_y)、黑鎳(NiS-ZnS)和黑鈷等。

集熱介質(zhì)鍍涂在玻璃管內(nèi)，直接吸收太陽輻射能，集熱介質(zhì)既是吸熱材料也是傳熱材料。集熱介質(zhì)長期處于白天受到輻射時處于高溫，夜間沒有太陽輻射時冷卻的交替冷熱沖擊,集熱介質(zhì)和鍍涂集熱介質(zhì)的玻璃各自比熱容和膨脹系數(shù)存在應(yīng)力差異，這種冷熱交替的冷熱沖擊導(dǎo)致集熱介質(zhì)與集熱介質(zhì)鍍涂玻璃之間應(yīng)力差異引起集熱介質(zhì)脫落，造成吸熱功能失效。