[发明专利]微纳米石墨片流体太阳能集热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能集热器，特别是微纳米石墨片流体太阳能集热器。

背景技术

太阳能集热器光热转换属太阳能利用的关键技术，太阳能集热器效率主要是由光热转换的两个因素决定，一是集热器对太阳辐射能的吸收能力，二是集热器的散热损失程度。因此,为提高集热器的效率,在保持最大限度地吸收太阳能的同时,尽可能减小其热损。

现有的太阳能集热器主要有平板型和真空管式集热器，都属于间接吸收式集热器,太阳辐射在通过镀涂在平板和真空管的选择性涂层吸收并转化为热量后,再通过涂层涂覆的金属板或玻璃管壁的导热才能传递至水或导热油工作介质。这种间接吸收式集热器的最高温度点集中在集热介质,传热路径是，集热介质向涂覆的金属板或玻璃管壁传热，涂覆的金属板或玻璃管壁向工作介质传热，涂覆集热介质的金属板或玻璃管壁另一侧则向管外环境发生辐射和对流散热，这无疑增大了系统的散热损失。以现有的太阳能热水器为例，太阳能集热器采用透明玻璃真空管作为保温装置，利用二次传热的方式传递热量，即利用镀涂在透明玻璃内管外壁的集热介质吸收太阳光热，将吸收到的太阳光转换热再通过透明玻璃内管管壁传递给工作介质水。由于水的导热系数较低，固液间热阻较大，温差大时传热效率高，温差小时传热效率低。温差愈大，必然集热介质温度愈高；而集热介质温度愈高，集热介质对外辐射造成的热量损失愈大。因此，现有的太阳能集热器的集热效率低。

现有的太阳能真空管集热器，一类是玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管），一类是金属吸热体真空管（或称为玻璃－金属真空管）。太阳能真空管集热器由外管、内管、外管与内管之间的空腔组成，集热介质镀涂在玻璃内管的外壁或金属内管的外壁，外管与内管之间的空腔抽真空。

光谱选择性吸收涂层由具有光谱选择性吸收特性的材料组成，必须是一种复合材料，即由吸收太阳光辐射和反射红外光谱两部分材料组成。吸收辐射是指当辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被材料粒子(原子、离子或分子等)选择性地吸收，从而使辐射强度减弱的现象。吸收辐射的原理是物质粒子发生由低能级(一般为基态)向高能级(激发态)的跃迁。太阳光谱区的波长在0.3～2.5μm的太阳辐射强度最大，对该光谱区的光量子吸收最为关键。因此，集热涂层材料中只有存在与波长0.3～2.5μm光子的能量相对应的能级跃迁，才具有较好的选择吸收性。一般来说，金属、金属氧化物、金属硫化物和半导体等发色体粒子的电子跃迁能级与可见光谱区的光子能量较为匹配，是制备太阳能选择性涂层吸收层的主要材料，如黑铬(Cr_xO_y)、黑镍(NiS-ZnS)、氧化铜黑(Cu_xO_y)和四氧化三铁(Fe₃O₄)等。而作为选择性吸收涂层的另一部分——红外反射层则一般采用红外反射率较高的材料，如铜、铝等金属，以获得较低的红外发射率，达到减少自身辐射热损的目的。

集热介质通过不同的工艺方法选择不同的材料附着于玻璃内管外壁，或金属内管外壁；其包括有：

喷涂方法：硫化铅、氧化钴、氧化铁、铁锰铜氧化物。

化学方法：氧化铜、氧化铁。

电化学方法：黑铬、黑镍、黑钴、铝阳极氧化。

真空蒸发方法：黑铬/铝、硫化铅/铝。

磁控溅射方法：铝-氮/铝，铝-碳氧/铝，不锈钢-碳/铝。

目前主要集热介质有如下几种：如硫化铅(PbS)、黑铬(Cr_xO_y)、黑镍(NiS-ZnS)和黑钴等。

集热介质镀涂在玻璃管内，直接吸收太阳辐射能，集热介质既是吸热材料也是传热材料。集热介质长期处于白天受到辐射时处于高温，夜间没有太阳辐射时冷却的交替冷热冲击,集热介质和镀涂集热介质的玻璃各自比热容和膨胀系数存在应力差异，这种冷热交替的冷热冲击导致集热介质与集热介质镀涂玻璃之间应力差异引起集热介质脱落，造成吸热功能失效。