太阳能集热器.pdf

本发明涉及一种太阳能集热器，该太阳能集热器包括一上基板、一下基板、一吸热层、一边框支架和多个支撑物。所述上基板和所述下基板相对设置。所述边框支架设置于所述上基板和下基板之间。所述上基板、下基板及边框支架共同构成一空腔。所述吸热层设置于所述下基板位于所述空腔内的上表面。所述多个支撑物间隔地设置于所述空腔内，并分别与所述上基板和吸热层相接触。所述吸热层包括一碳纳米管层，该碳纳米管层包括至少一碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。

1.  一种太阳能集热器，其包括：
一上基板；
一下基板，该下基板与所述上基板相对设置；
一边框支架，该边框支架设置于所述上基板和下基板之间，并与所述上基板和下基板共同构成一空腔；
多个支撑物，该多个支撑物间隔地设置于所述空腔内，并分别与所述上基板和下基板相接触；
其特征在于，所述太阳能集热器进一步包括一吸热层，该吸热层设置于下基板位于所述空腔内的上表面，该吸热层包括一碳纳米管层，该碳纳米管层包括至少一碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。

2.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管层包括至少两个重叠设置的碳纳米管薄膜。

3.  如权利要求2所述的太阳能集热器，其特征在于，所述至少两个重叠设置的碳纳米管薄膜中相邻的碳纳米管薄膜中的碳纳米管排列方向具有一交叉角度α，0°≤α≤90°。

4.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束，该碳纳米管束的两端通过范德华力相互连接，每个碳纳米管束包括多个长度相等且平行排列的碳纳米管。

5.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管薄膜通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得。

6.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述吸热层的厚度为3微米～2毫米。

7.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述太阳能集热器进一步包括一反射层，该反射层设置于所述上基板的下表面，厚度为10纳米～1微米。

8.  如权利要求7所述的太阳能集热器，其特征在于，所述反射层为氧化铟锡薄膜或者碳纳米管结构。

9.  如权利要求8所述的太阳能集热器，其特征在于，所述碳纳米管结构包括无序碳纳米管层、有序碳纳米管层或者碳纳米管复合材料层。

10.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述上基板的材料为玻璃、塑料、透明陶瓷或者高分子透明材料，该上基板的厚度为100微米～5毫米。

11.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述下基板的材料为玻璃、锌、铝或者不锈钢，该下基板的厚度为100微米～5毫米。

12.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述边框支架的材料为玻璃，高度为100微米～500微米。

13.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述支撑物的材料为玻璃，形状为小珠状或者细丝状。

14.  如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，该太阳能集热器进一步包括一间隔层，该间隔层形成于所述太阳能集热器的空腔中，材料为透明的泡沫型材料或者导热效果较差的气体。

太阳能集热器
技术领域
本发明涉及一种太阳能集热器。
背景技术
随着现代工业和社会的发展，人类社会对于资源和能源的依赖日益加强。而众所周知，地球上的资源和能源是有限的，所以在各种经济、政治、科学研究活动中，资源和能源的问题成了首要问题。而由于部分资源可以通过一些人为的过程加以回收再利用，因此，能源的问题更为突出。太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，也是最廉价的，最洁净的，最有发展前途的能源。太阳能电池和太阳能集热器是直接利用和吸收太阳能的主要方式。与太阳能电池相比较，太阳能集热器的效率较高，远高于其它太阳能利用的方式。但目前太阳能集热器由于受结构和材料等方面的因素局限，应用范围和领域还比较窄。
现在广泛应用的太阳能集热器分为太阳能管式集热器(请参见“真空管太阳能家用热水器及其东西向和南北向放置的比较”，太阳能学报，吴家庆等，vol9，p396-405(1988))和太阳能板式集热器两种。请参阅图1，为现有技术中太阳能管式集热器300，包含一放置在地面上的座体30、一装设在该座体30一侧的储水桶32、以及连接所述座体30另一侧与所述储水桶32之间的真空吸热管34。当该真空吸热管34接收到太阳能后，利用冷水比热水比重大的原理，而产生冷水下流、热水上升现象，进而使所述真空吸热管34内的液体达到自然对流循环加热，具有良好的保温性。然而，当太阳光照射到所述真空吸热管34时，会因该真空吸热管34的圆管曲线排布，造成有效集热面积变小。而且，所述真空吸热管34的内侧会生成水垢，所以需要定期清洁、保养，以维持良好的热传导效率，不但费时而且费力。
太阳能板式集热器的出现克服了所述太阳能管式集热器300中出现的问题。请参阅图2，现有技术中的太阳能板式集热器500包含一上基板50、一下基板52、边框支架56和多个支撑物58。其中，所述上基板50为一透光基板，由玻璃、塑料等透明材料制成。下基板52为一吸热板，由铜、铝合金(要求防锈铝)、不锈钢、锌等材料制成。所述上基板50和下基板52构成一空腔60，该空腔60的两侧设有边框支架56。所述上基板50和下基板52之间设置有多个支撑物58。
然而，为了防止所述下基板52在制备的过程中被氧化，该下基板52需要在较高的真空绝热环境下进行制备，并要加热到较高的温度，生产工艺复杂。因此，使得下基板52的制备过程中的成本较高，从而相应地使得所述太阳能板式集热器500的成本较高，不适于大面积普及推广应用。另外，所述太阳能板式集热器500中下基板52本身也作为吸热层，故下基板52材料的选择受到限制，必须是吸热材料，而采用铜、铝合金等吸热材料制成的下基板52，由于该下基板52的吸热表面积较小同时对太阳光的反射较大，故，对太阳能的转化效率较低。
因此，确有必要提供一种太阳能集热器，所得到的太阳能集热器对太阳能具有较高的转化效率，且制备的成本较低、适于大面积普及推广应用。
发明内容
一种太阳能集热器包括一上基板、一下基板、一吸热层、一边框支架和多个支撑物。所述上基板和所述下基板相对设置。所述边框支架设置于所述上基板和下基板之间。所述上基板、下基板及边框支架共同构成一空腔。所述吸热层设置于所述下基板位于所述空腔内的上表面。所述多个支撑物间隔地设置于所述空腔内，并分别与所述上基板和吸热层相接触。所述吸热层包括一碳纳米管层，该碳纳米管层包括至少一碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。
与现有技术相比较，所述太阳能集热器具有以下优点：其一，由于碳纳米管具有良好的吸热性，同时，该碳纳米管薄膜包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管，且该碳纳米管薄膜的吸热表面积较大并对太阳光的反射较小，故，采用碳纳米管层作吸热层，可提高太阳能集热器对太阳能的能量转化效率，对太阳能吸收均匀。其二，由于碳纳米管层的制备的成本较低，故，采用碳纳米管层作吸热层，适于大面积普及推广应用。
附图说明
图1是现有技术中的太阳能管式集热器的结构示意图。
图2是现有技术中的太阳能板式集热器的结构示意图。
图3是本技术方案实施例的太阳能集热器的侧视结构示意图。
图4是本技术方案实施例的太阳能集热器的俯视结构示意图。
图5是本技术方案实施例获得的碳纳米管薄膜的扫描电镜照片。
图6是本技术方案实施例获得的碳纳米管薄膜的部分放大示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本技术方案太阳能集热器。
请参阅图3及图4，本技术方案实施例提供一种太阳能集热器100包括一上基板10、一下基板12、一吸热层14、一边框支架16和多个支撑物18。所述上基板10和所述下基板12相对设置。所述边框支架16设置于所述上基板10和下基板12之间。所述上基板10、下基板12及边框支架16共同构成一空腔20。所述吸热层14设置于所述下基板12位于所述空腔20内的上表面121。所述多个支撑物18间隔地设置于所述空腔20内，并分别与所述上基板10和吸热层14相接触。所述吸热层14包括一碳纳米管层。
所述上基板10为一透光基板，用于透过太阳光。该上基板10采用透明材料制成，如玻璃、塑料、透明陶瓷、高分子透明材料等。所述上基板10的厚度为100微米～5毫米，优选为3毫米。所述上基板10的形状不限，可以是三角形、六边形、四边形等，可依据需求制成任意形状。
所述下基板12与上基板10相对设置。该下基板12为一集热基板，用于收集并传递太阳光的能量。该下基板12可采用玻璃制成，或者采用导热性能较好的材料制成，如锌、铝或者不锈钢等。所述下基板12的厚度为100微米～5毫米，优选为3毫米。所述下基板12的形状不限，可以是三角形、六边形、四边形等，可依据需求制成任意形状。
所述边框支架16可采用玻璃等材料制成。所述边框支架16的高度为100微米～500微米，优选为150微米～250微米。
所述空腔20内为真空绝热环境，抑制空气的自然对流，从而减少所述太阳能集热器100中对流换热的损失，起到保温作用，从而大大提高所述太阳能集热器100的热效率。另外，所述空腔20内也可以不采取真空的环境，可以在空腔20中形成一种能够透光且保温的间隔层(图未示)，该间隔层填充整个空腔，可以由透明的泡沫型材料如耐热塑料制成，也可以采用一些导热效果较差的气体充当间隔层。
所述吸热层14包括一碳纳米管层，该碳纳米管层包括一碳纳米管薄膜141或者至少两个重叠设置的碳纳米管薄膜141。请参阅图5，每个碳纳米管薄膜141包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。所述至少两个重叠设置的碳纳米管薄膜141中相邻的两个碳纳米管薄膜141中的碳纳米管排列方向具有一交叉角度α，0°≤α≤90°，具体可依据实际需求制备。相邻两个碳纳米管薄膜141之间通过范德华力紧密结合。请参阅图6，所述碳纳米管薄膜141包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束142，该碳纳米管束142包括多个长度相等且相互平行排列的碳纳米管143。所述碳纳米管薄膜141中的碳纳米管束142的长度基本相同，碳纳米管束142之间通过范德华力紧密连接。
所述碳纳米管薄膜141中碳纳米管可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或者多壁碳纳米管。当碳纳米管薄膜141中的碳纳米管为单壁碳纳米管时，该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米。当碳纳米管薄膜141中的碳纳米管为双壁碳纳米管时，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米。当碳纳米管薄膜141中的碳纳米管为多壁碳纳米管时，该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管薄膜141包括黑色的纳米材料即碳纳米管，碳纳米管具有良好的吸光特性和导热率高的优异特性，且，所述碳纳米管薄膜141中碳纳米管均匀分布，且沿同一方向择优取向排列，故该碳纳米管薄膜141对于太阳光具有均匀的吸收特性。所述太阳能集热器100中吸热层14对太阳光的吸收效率随吸热层14厚度的增加而增加，即所述吸热层14中碳纳米管薄膜141相互叠加的层数越多，对于太阳光的吸收效率越高。优选地，所述吸热层14的厚度为3微米～2毫米。
所述多个支撑物18用于抵抗大气压力，加强所述太阳能集热器100的牢固性。所述支撑物18的高度和所述边框支架16的高度相同。所述支撑物18是由吸热性较弱的材料制成，如玻璃。该支撑物18的形状不限，可以为小珠状或者细丝状等。本实施例优选多个支撑物18等间隔设置于所述空腔20内。
所述太阳能集热器100为一平板型结构。另外，所述太阳能集热器100还可制成其他的各种形状，比如柱面、球面等多种曲面形式。所述太阳能集热器100可以广泛应用在建筑结构的外墙上，从而实现为建筑物内部的供暖。所述太阳能集热器100的上基板10和下基板12可以方便地制成各种形状，起到装饰的作用。
所述太阳能集热器100进一步包括一反射层22，该反射层22设置于所述上基板10位于空腔20内的下表面101，厚度为10纳米～1微米。一个理想的太阳能集热器100应能最大限度地吸收入射其表面的太阳能，而同时又要尽可能地减少其自身的辐射热损，这样才可能最大程度地将太阳能转化为热能。即，所述太阳能集热器100在可见光及近红外光波段反射率低即吸收比高，而在中、远红外光波段反射率高即发射率低。这就需要在所述太阳能集热器100内设置一反射层22。该反射层22为一红外反射层，如氧化铟锡薄膜或者一碳纳米管结构。该碳纳米管结构包括无序碳纳米管层、有序碳纳米管层或者碳纳米管复合材料层。所述反射层22对于可见光及近红外光是透明的，具有非常好的透过可见光及近红外光、并反射远红外光的特点，从而可以减少所述太阳能集热器100对太阳能能量的辐射损失，增大该太阳能集热器100对太阳能的能量转化效率。所述反射层22和所述吸热层14可以均为碳纳米管结构，但所述反射层22的厚度比所述吸热层14的厚度小，以保证大部分可见光及近红外光透过该反射层22。
进一步，还可以将一循环液流层24设置于所述太阳能集热器100的下基板12的下表面121，如将温度较低的水或者乙二醇等液体作为循环液。所述太阳能集热器100可以直接把水加热作为热水使用，或者将热量带走作为其它的应用，比如海水淡化、制冷、发电等。
所述太阳能集热器100在太阳光透过所述透光的上基板10后照射到所述吸热层14。由于该吸热层14包括黑色的纳米材料即碳纳米管，所述吸热层14对于太阳光的可见光及近红外光波段都具有比较好的吸收，转变为热能，然后通过所述集热的下基板12将热能传给所述循环液流层24。由于吸热层14中的碳纳米管具有稳定性好和导热率高的优异特性，可提高吸热层14将热能传给所述循环液流层24的效率。另外，所述吸热层14吸收太阳能后温度升高，而后吸热层14作为一热源也会向外辐射热量。所述反射层22的设置可将这部分热辐射反射回所述空腔20内，可以减少所述太阳能集热器100的热量散失，进一步提高所述太阳能集热器100的工作效率。
本技术方案实施例提供一种制备上述碳纳米管薄膜的方法，具体包括以下步骤：
步骤一：提供一碳纳米管阵列形成于一基底，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。
本实施例中，超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700℃～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃～740℃，然后通入碳源气体反应约5分钟～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为50微米～5毫米。该超顺排碳纳米管阵列为至少两个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。该碳纳米管阵列的面积与上述基底面积基本相同。
上述碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。
可以理解，本实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法，也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。
步骤二：采用一拉伸工具拉取上述碳纳米管阵列从而获得一碳纳米管薄膜。
本实施例中，采用一拉伸工具拉取上述碳纳米管阵列从而获得一碳纳米管薄膜的方法包括以下步骤：(a)从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管束片断；(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管束片断，获得一连续的碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜中碳纳米管的排列方向平行于碳纳米管薄膜的拉伸方向。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管束片断在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管束片断分别与其他碳纳米管束片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜为定向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管薄膜。
步骤二中直接拉伸获得的定向排列的碳纳米管薄膜具有较好的均匀性，即具有均匀的厚度以及均匀的导电性能。同时该直接拉伸获得碳纳米管薄膜的方法简单快速，适宜进行工业化应用。
另外，上述碳纳米管薄膜可直接使用，或者也可使用有机溶剂处理后再使用。使用有机溶剂处理所述碳纳米管薄膜的过程包括：通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管薄膜表面浸润整个碳纳米管薄膜，或者将整个碳纳米管薄膜浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本技术方案实施例中采用乙醇。所述的碳纳米管薄膜经有机溶剂浸润处理后，在挥发性有机溶剂的表面张力的作用下，碳纳米管薄膜中平行的碳纳米管片断会部分聚集成碳纳米管束。因此，该碳纳米管薄膜表面体积比小，无粘性，且具有良好的机械强度及韧性。
所述太阳能集热器具有以下优点：其一，由于碳纳米管具有良好的吸热性，同时，该碳纳米管薄膜包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管，且该碳纳米管薄膜的吸热表面积较大并对太阳光的反射较小，故，采用碳纳米管层作吸热层，可提高太阳能集热器对太阳能的能量转化效率，对太阳能吸收均匀。其二，由于碳纳米管薄膜制备的成本较低，故，采用碳纳米管层作吸热层，适于大面积普及推广应用。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。