[發明專利]一種光熱轉換和熱管效應相結合的太陽能光熱設備

在審

• 申請號: 201510043963.4
• 申請日: 2015-01-28
• 公開（公告）號: CN104613659A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 陶鵬;楊超;宋成軼;尚文;鄧濤
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: F24J2/32
• 分類號: F24J2/32;F24J2/06;F24J2/48
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

技術領域

本發明屬于太陽能光熱轉變和利用技術領域，尤其是涉及一種光熱轉換和熱管效應相結合的太陽能光熱設備。

背景技術

太陽能是來自太陽的輻射能量，它的產生是由太陽內部氫原子發生核聚變釋放出巨大能量引起的。雖然只有不足二十億億分之一太陽輻射能量能夠穿透地球大氣層，但每秒鐘到達地球的太陽能容量就與500萬噸的煤燃燒所產生的能量相當。鑒于其高容量、全球分布性、可持續性及清潔性的優點，開發和利用太陽能被認為是最有潛力解決全球能源危機的途徑之一。目前，人們主要將太陽能轉換為電能和熱能加以應用。相對而言，光熱轉換技術被認為是一種更為清潔和高效的太陽能應用技術，尤其是適用于將吸收的太陽能直接用于供熱場合。

同時，太陽能又具有分散性、低密度等特點，這些構成了對太陽能充分開發和利用的主要障礙。為實現對太陽光的有效收集，人們已經開發了多種對太陽光吸收的材料，設計制備了結構復雜的多層膜材料并對膜表面進行粗糙化處理。但傳統的涂層吸熱方式存在光熱轉換效率偏低的缺點。近年來，金屬納米材料特有的表面等離子共振效應可以高效地將電磁波轉化成熱能，其理論轉換效率接近100％。這些具有高效光熱轉換效應的新型太陽光吸收材料將極大地提高太陽能的利用效率。

太陽能吸收材料收集轉換的熱能需要及時、低損耗地傳輸到使用終端，最終實現對太陽能的光熱應用。熱管技術的發明改變了人們傳統傳熱的理念，擺脫了單純依靠提高材料本征導熱率單一傳熱模式。熱管技術充分利用了封閉腔體中熱傳導原理與相變介質的快速高效熱傳遞性質，工作液在受熱后發生相變吸收大量熱從而將熱源端的熱量迅速傳遞到使用終端經冷凝相變釋放熱量，其傳熱能力已遠遠超過導熱性最強金屬的導熱能力。

當前對太陽能的光熱利用主要是依靠傳統的太陽能吸收層材料將太陽能轉換成熱能，再利用該熱源對水或者油等媒介進行傳熱。這種太陽能光熱利用方式因為太陽光集熱材料溫度高導致很大一部分收集到的熱能又以紅外輻射的形式散失掉，存在效率低下的缺點。同時，從太陽能集熱層到媒介的傳熱過程中因為存在界面熱阻一部分熱能被損耗。通常情況下，現有的太陽能光熱利用方式中的對獲得熱能的傳輸則往往需要借助于外力如機械泵。如此，增加了對太陽能光熱利用的能耗，也會造成部分熱能在傳輸過程中損失。

中國專利CN102290472A公開了一種光熱一體型太陽能裝置，其包括框架、進水管、出水管、中空板、保溫層和相變儲熱球，框架上設有進水管、出水管和中空板，中空板一側與進水管連接，另一側與出水管連接，進水管和出水管外部包裹有保溫層，中空板上設有相變儲熱球。這種光熱一體型太陽能裝置通過水循環和熱交換的作用，利用冷水對光伏層壓件進行降溫，光伏層壓件得以充分冷卻，提高光伏發電效率，延長其使用壽命。但是該專利無法實現太陽能熱能的高效轉換以及熱能的快速傳輸。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種實現太陽能熱能的高效轉換以及熱能的快速傳輸而研發的一種基于光熱轉換和熱管效應相結合的太陽能光熱設備。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種光熱轉換和熱管效應相結合的太陽能光熱設備，包括：

底板，

設置在底板上，封裝有工作介質的封閉熱管裝置，

設置在封閉熱管裝置的蒸發端的太陽能集熱材料，將具有電磁波吸收特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構沉積到基體材料上，形成具有高效光熱轉換效應的太陽能集熱材料。

太陽光照射到太陽能集熱材料上，利用光熱轉換效應使光能轉換成熱能并傳遞給封閉熱管裝置內封裝的工作介質中，工作介質被加熱發生相變并通過熱管效應將熱傳導到使用終端。

優選地，太陽能集熱材料為沉積在基體上具有等離子體共振效應的納米結構金屬材料，或是吸收太陽能的金屬或無機非金屬材料。

更加優選地，具有等離子體共振效應的納米結構金屬材料為金、銀、鋁、鉑或銅，吸收太陽能的金屬材料為黑鉻、黑色鋁箔或氧化鋁，吸收太陽能的非金屬材料為碳黑、碳納米管、石墨烯、氧化鐵或氮化硅，基體為無塵紙、金屬網、金屬板、玻璃纖維、硅片或玻璃片等。

優選地，封閉熱管裝置中的熱管為普通熱管、平板熱管或脈沖熱管，封閉熱管裝置的內部設有吸液芯，該吸液芯結構是將金屬粉末或金屬網燒結成具有親水性能的毛細結構，或通過對金屬網進行表面化學處理具有親水性的結構。

優選地，封閉熱管裝置的蒸發端還由可以透過太陽光的透明材料進行封裝。

更加優選地，透明材料為聚甲基丙烯酸甲酯、有機硅樹脂、聚氨酯、石英玻璃或透明玻璃等。