專利名稱：太陽能集熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能集熱器。
背景技術：
隨著現代工業(yè)和社會的發(fā)展，人類社會對于資源和能源的依賴日益加 強。而眾所周知，地球上的資源和能源是有限的，所以在各種經濟、政治、 科學研究活動中，資源和能源的問題成了首要問題。而由于部分資源可以通 過一些人為的過程加以回收再利用，因此，能源的問題更為突出。太陽能是 人類可以利用的最豐富的能源，也是最廉價的，最潔凈的，最有發(fā)展前途的 能源。太陽能電池和太陽能集熱器是直接利用和吸收太陽能的主要方式。與 太陽能電池相比較，太陽能集熱器的效率較高，遠高于其它太陽能利用的方 式。但目前太陽能集熱器由于受結構和材料等方面的因素局限，應用范圍和 領域還比較窄。
現在廣泛應用的太陽能集熱器分為太陽能管式集熱器(請參見"真空管太 陽能家用熱水器及其東西向和南北向放置的比較"，太陽能學報，吳家慶等,
vo19, p396-405(1988))和太陽能板式集熱器兩種。請參閱圖l，為現有技術中 太陽能管式集熱器300，包含一放置在地面上的座體30、 一裝設在該座體30 一側的儲水桶32、以及連接所述座體30另一側與所述儲水桶32之間的真空吸 熱管34。當該真空吸熱管34接收到太陽能后，利用冷水比熱水比重大的原理， 而產生冷水下流、熱水上升現象，進而使所述真空吸熱管34內的液體達到自 然對流循環(huán)加熱，具有良好的保溫性。然而，當太陽光照射到所述真空吸熱 管34時，會因該真空吸熱管34的圓管曲線排布，造成有效集熱面積變小。而 且，所述真空吸熱管34的內側會生成水垢，所以需要定期清潔、保養(yǎng)，以維 持良好的熱傳導效率，不但費時而且費力。
太陽能板式集熱器的出現克服了所述太陽能管式集熱器300中出現的問 題。請參閱圖2，現有技術中的太陽能板式集熱器500包含一上基板50、 一下 基板52、邊框支架56和多個支撐物58。其中，所述上基板50為一透光基板，
4由玻璃、塑料等透明材料制成。下基板52為一吸熱板，由銅、鋁合金(要求 防銹鋁)、不銹鋼、鋅等材料制成。所述上基板50和下基板52構成一空腔60, 該空腔60的兩側設有邊框支架56。所述上基板50和下基板52之間設置有多個 支撐物58。
然而，為了防止所述下基板52在制備的過程中被氧化，該下基板52需要 在較高的真空絕熱環(huán)境下進行制備，并要加熱到較高的溫度，生產工藝復雜。 因此，使得下基板52的制備過程中的成本較高，從而相應地使得所述太陽能 板式集熱器500的成本較高，不適于大面積普及推廣應用。另外，所述太陽能 板式集熱器500中下基板52本身也作為吸熱層，故下基板52材料的選擇受到限 制，必須是吸熱材料，而采用銅、鋁合金等吸熱材料制成的下基板52，由于 該下基板52的吸熱表面積較小同時對太陽光的反射較大，故，對太陽能的轉 化效率較低。
因此，確有必要提供一種太陽能集熱器，所得到的太陽能集熱器對太陽 能具有較高的轉化效率，且制備的成本較低、適于大面積普及推廣應用。

發(fā)明內容
一種太陽能集熱器包括一上基板、 一下基板、 一吸熱層、 一邊框支架和 多個支撐物。所述上基板和所述下基板相對設置。所述邊框支架設置于所述 上基板和下基板之間。所述上基板、下基板及邊框支架共同構成一空腔。所 述吸熱層設置于所述下基板位于所述空腔內的上表面。所述多個支撐物間隔 地設置于所述空腔內，并分別與所述上基板和吸熱層相接觸。所述吸熱層包 括一碳納米管層，該碳納米管層包括至少一碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜 包括多個沿同一方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。
與現有技術相比較，所述太陽能集熱器具有以下優(yōu)點其一，由于碳納 米管具有良好的吸熱性，同時，該碳納米管薄膜包括多個沿同一方向擇優(yōu)取 向排列的碳納米管，且該碳納米管薄膜的吸熱表面積較大并對太陽光的反射 較小，故，采用碳納米管層作吸熱層，可提高太陽能集熱器對太陽能的能量 轉化效率，對太陽能吸收均勻。其二，由于碳納米管層的制備的成本較低， 故，采用碳納米管層作吸熱層，適于大面積普及推廣應用。


圖1是現有技術中的太陽能管式集熱器的結構示意圖。 圖2是現有技術中的太陽能板式集熱器的結構示意圖。
圖3是本技術方案實施例的太陽能集熱器的側視結構示意圖。 圖4是本技術方案實施例的太陽能集熱器的俯視結構示意圖。 圖5是本技術方案實施例獲得的碳納米管薄膜的掃描電鏡照片。 圖6是本技術方案實施例獲得的碳納米管薄膜的部分放大示意圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖詳細說明本技術方案太陽能集熱器。
請參閱圖3及圖4,本技術方案實施例提供一種太陽能集熱器100包括 一上基板IO、 一下基板12、 一吸熱層14、 一邊框支架16和多個支撐物18。 所述上基板10和所述下基板12相對設置。所述邊框支架16設置于所述上 基板IO和下基板12之間。所述上基板10、下基板12及邊框支架16共同構 成一空腔20。所述吸熱層14設置于所述下基板12位于所述空腔20內的上 表面121。所述多個支撐物18間隔地設置于所述空腔20內，并分別與所述 上基板IO和吸熱層14相接觸。所述吸熱層14包括一碳納米管層。
所述上基板10為一透光基板，用于透過太陽光。該上基板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 的厚度為100微米~5毫米，優(yōu)選為3毫米。所述上基板10的形狀不限，可 以是三角形、六邊形、四邊形等，可依據需求制成任意形狀。
所述下基板12與上基板10相對設置。該下基板12為一集熱基板，用 于收集并傳遞太陽光的能量。該下基板12可采用玻璃制成，或者采用導熱 性能較好的材料制成，如鋅、鋁或者不銹鋼等。所述下基板12的厚度為100 微米~5毫米，優(yōu)選為3毫米。所述下基板12的形狀不限，可以是三角形、 六邊形、四邊形等，可依據需求制成任意形狀。
所述邊框支架16可采用玻璃等材料制成。所述邊框支架16的高度為 100微米 500微米，優(yōu)選為150微米 250微米。
所述空腔20內為真空絕熱環(huán)境，抑制空氣的自然對流，從而減少所述 太陽能集熱器100中對流換熱的損失，起到保溫作用，從而大大提高所述太
6陽能集熱器100的熱效率。另外，所述空腔20內也可以不采取真空的環(huán)境， 可以在空腔20中形成一種能夠透光且保溫的間隔層(圖未示)，該間隔層填充 整個空腔，可以由透明的泡沫型材料如耐熱塑料制成，也可以采用一些導熱 效果較差的氣體充當間隔層。
所述吸熱層14包括一碳納米管層，該碳納米管層包括一碳納米管薄膜 141或者至少兩個重疊設置的碳納米管薄膜141。請參閱圖5，每個碳納米管 薄膜141包括多個沿同一方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。所述至少兩個重疊 設置的碳納米管薄膜141中相鄰的兩個碳納米管薄膜141中的碳納米管排列 方向具有一交叉角度a， 0°^^90。，具體可依據實際需求制備。相鄰兩個碳 納米管薄膜141之間通過范德華力緊密結合。請參閱圖6，所述碳納米管薄 膜141包括多個首尾相連且定向排列的碳納米管束142，該碳納米管束142 包括多個長度相等且相互平行排列的碳納米管143。所述碳納米管薄膜141 中的碳納米管束142的長度基本相同，碳納米管束142之間通過范德華力緊 密連接。
所述碳納米管薄膜141中碳納米管可為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或 者多壁碳納米管。當碳納米管薄膜141中的碳納米管為單壁碳納米管時，該 單壁碳納米管的直徑為0.5納米~50納米。當碳納米管薄膜141中的碳納米 管為雙壁碳納米管時，該雙壁碳納米管的直徑為1.0納米~50納米。當碳納 米管薄膜141中的碳納米管為多壁碳納米管時，該多壁碳納米管的直徑為1.5 納米 50納米。所述碳納米管薄膜141包括黑色的納米材料即碳納米管，碳 納米管具有良好的吸光特性和導熱率高的優(yōu)異特性，且，所述碳納米管薄膜 141中碳納米管均勻分布，且沿同一方向擇優(yōu)取向排列，故該碳納米管薄膜 141對于太陽光具有均勻的吸收特性。所述太陽能集熱器100中吸熱層14 對太陽光的吸收效率隨吸熱層14厚度的增加而增加，即所述吸熱層14中碳 納米管薄膜141相互疊加的層數越多，對于太陽光的吸收效率越高。優(yōu)選地， 所述吸熱層14的厚度為3微米~2毫米。
所述多個支撐物18用于抵抗大氣壓力，加強所述太陽能集熱器100的 牢固性。所述支撐物18的高度和所述邊框支架16的高度相同。所述支撐物 18是由吸熱性較弱的材料制成，如玻璃。該支撐物18的形狀不限，可以為 小珠狀或者細絲狀等。本實施例優(yōu)選多個支撐物18等間隔設置于所述空腔
720內。
所述太陽能集熱器IOO為一平板型結構。另外，所述太陽能集熱器IOO
還可制成其他的各種形狀，比如柱面、球面等多種曲面形式。所述太陽能集
熱器100可以廣泛應用在建筑結構的外墻上，從而實現為建筑物內部的供暖。 所述太陽能集熱器100的上基板IO和下基板12可以方便地制成各種形狀， 起到裝飾的作用。
所述太陽能集熱器100進一步包括一反射層22，該反射層22設置于所 述上基板10位于空腔20內的下表面101,厚度為10納米~1孩i米。 一個理 想的太陽能集熱器IOO應能最大限度地吸收入射其表面的太陽能，而同時又 要盡可能地減少其自身的輻射熱損，這樣才可能最大程度地將太陽能轉化為 熱能。即，所述太陽能集熱器IOO在可見光及近紅外光波段反射率低即吸收 比高，而在中、遠紅外光波段反射率高即發(fā)射率低。這就需要在所述太陽能 集熱器100內設置一反射層22。該反射層22為一紅外反射層，如氧化銦錫 薄膜或者一碳納米管結構。該碳納米管結構包括無序碳納米管層、有序碳納 米管層或者碳納米管復合材料層。所述反射層22對于可見光及近紅外光是 透明的，具有非常好的透過可見光及近紅外光、并反射遠紅外光的特點，從 而可以減少所述太陽能集熱器IOO對太陽能能量的輻射損失，增大該太陽能 集熱器IOO對太陽能的能量轉化效率。所述反射層22和所述吸熱層14可以 均為碳納米管結構，但所述反射層22的厚度比所迷吸熱層14的厚度小，以 保證大部分可見光及近紅外光透過該反射層22。
進一步，還可以將一循環(huán)液流層24設置于所述太陽能集熱器100的下 基板12的下表面121,如將溫度較低的水或者乙二醇等液體作為循環(huán)液。所 述太陽能集熱器IOO可以直接把水加熱作為熱水使用，或者將熱量帶走作為 其它的應用，比如海水淡化、制冷、發(fā)電等。
所述太陽能集熱器100在太陽光透過所述透光的上基板10后照射到所 述吸熱層14。由于該吸熱層14包括黑色的納米材料即石友納米管，所述吸熱
能，然后通過所述集熱的下基板12將熱能傳給所述循環(huán)液流層24。由于吸 熱層14中的碳納米管具有穩(wěn)定性好和導熱率高的優(yōu)異特性，可提高吸熱層 14將熱能傳給所述循環(huán)液流層24的效率。另外，所述吸熱層14吸收太陽能后溫度升高，而后吸熱層14作為一熱源也會向外輻射熱量。所述反射層22 的設置可將這部分熱輻射反射回所述空腔20內，可以減少所述太陽能集熱 器100的熱量散失，進一步提高所述太陽能集熱器100的工作效率。
本技術方案實施例提供一種制備上述碳納米管薄膜的方法，具體包括以 下步驟
步驟一提供一碳納米管陣列形成于一基底，優(yōu)選地，該陣列為超順排 碳納米管陣列。
本實施例中，超順排碳納米管陣列的制備方法采用化學氣相沉積法，其 具體步驟包括(a)提供一平整基底，該基底可選用P型或N型硅基底，或 選用形成有氧化層的硅基底，本實施例優(yōu)選為采用4英寸的硅基底；(b)在 基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、 鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的基底在 700。C 900。C的空氣中退火約30分鐘 90分鐘；(d)將處理過的基底置于反 應爐中，在保護氣體環(huán)境下加熱到500。C 740。C,然后通入碳源氣體反應約 5分鐘 30分鐘，生長得到超順排碳納米管陣列，其高度為50微米~5毫米。 該超順排碳納米管陣列為至少兩個彼此平行且垂直于基底生長的碳納米管 形成的純碳納米管陣列。通過上述控制生長條件，該超順排碳納米管陣列中 基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該碳納米管陣列 中的碳納米管彼此通過范德華力緊密接觸形成陣列。該碳納米管陣列的面積 與上述基底面積基本相同。
上述碳源氣可選用乙炔、乙烯、曱烷等化學性質較活潑的碳氫化合物， 本實施例優(yōu)選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優(yōu)選 的保護氣體為氬氣。
可以理解，本實施例提供的碳納米管陣列不限于上述制備方法，也可為 石墨電極恒流電弧放電沉積法、激光蒸發(fā)沉積法等。
步驟二采用 一拉伸工具拉取上述碳納米管陣列從而獲得一碳納米管薄膜。
本實施例中，采用 一拉伸工具拉取上述碳納米管陣列從而獲得一碳納米 管薄膜的方法包括以下步驟(a )從上述碳納米管陣列中選定一定寬度的多 個碳納米管束片斷；(b)以一定速度沿基本垂直于碳納米管陣列生長方向拉
9伸該多個碳納米管束片斷，獲得一連續(xù)的碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜中 碳納米管的排列方向平行于碳納米管薄膜的拉伸方向。
在上述拉伸過程中，該多個碳納米管束片斷在拉力作用下沿拉伸方向逐 漸脫離基底的同時，由于范德華力作用，該選定的多個碳納米管束片斷分別 與其他碳納米管束片斷首尾相連地連續(xù)地被拉出，從而形成一碳納米管薄 膜。該碳納米管薄膜為定向排列的多個碳納米管束首尾相連形成的具有一定 寬度的碳納米管薄膜。
步驟二中直接拉伸獲得的定向排列的碳納米管薄膜具有較好的均勻性， 即具有均勻的厚度以及均勻的導電性能。同時該直接拉伸獲得碳納米管薄膜 的方法簡單快速，適宜進行工業(yè)化應用。
另外，上述碳納米管薄膜可直接使用，或者也可使用有機溶劑處理后再
使用。使用有機溶劑處理所述碳納米管薄膜的過程包括通過試管將有機溶 劑滴落在碳納米管薄膜表面浸潤整個碳納米管薄膜，或者將整個碳納米管薄 膜浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤。該有機溶劑為揮發(fā)性有機溶劑，如乙醇、 曱醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本技術方案實施例中采用乙醇。所述的碳納 米管薄膜經有機溶劑浸潤處理后，在揮發(fā)性有機溶劑的表面張力的作用下， 碳納米管薄膜中平行的碳納米管片斷會部分聚集成碳納米管束。因此，該碳 納米管薄膜表面體積比小，無粘性，且具有良好的機械強度及韌性。
所述太陽能集熱器具有以下優(yōu)點其一，由于碳納米管具有良好的吸熱 性，同時，該碳納米管薄膜包括多個沿同一方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管， 且該碳納米管薄膜的吸熱表面積較大并對太陽光的反射較小，故，采用碳納 米管層作吸熱層，可提高太陽能集熱器對太陽能的能量轉化效率，對太陽能 吸收均勻。其二，由于碳納米管薄膜制備的成本較低，故，采用碳納米管層 作吸熱層，適于大面積普及推廣應用。
另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內做其他變化，當然，這些依 據本發(fā)明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種太陽能集熱器，其包括一上基板；一下基板，該下基板與所述上基板相對設置；一邊框支架，該邊框支架設置于所述上基板和下基板之間，并與所述上基板和下基板共同構成一空腔；多個支撐物，該多個支撐物間隔地設置于所述空腔內，并分別與所述上基板和下基板相接觸；其特征在于，所述太陽能集熱器進一步包括一吸熱層，該吸熱層設置于下基板位于所述空腔內的上表面，該吸熱層包括一碳納米管層，該碳納米管層包括至少一碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜包括多個沿同一方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。
2. 如權利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述碳納米管層包括至少 兩個重疊設置的碳納米管薄膜。
3. 如權利要求2所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述至少兩個重疊設置的 碳納米管薄膜中相鄰的碳納米管薄膜中的碳納米管排列方向具有一交叉角 度a， 0°5a，o。
4. 如權利要求l所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述碳納米管薄膜包括多 個首尾相連且定向排列的碳納米管束，該碳納米管束的兩端通過范德華力相 互連接，每個碳納米管束包括多個長度相等且平行排列的碳納米管。
5. 如權利要求l所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述碳納米管薄膜通過直 接拉伸 一碳納米管陣列獲得。
6. 如權利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述吸熱層的厚度為3微 米~2毫米。
7. 如權利要求l所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述太陽能集熱器進一步 包括一反射層，該反射層設置于所述上基板的下表面，厚度為10納米 1微 米。
8. 如權利要求7所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述反射層為氧化銦錫薄膜或者碳納米管結構。
9. 如權利要求8所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述碳納米管結構包括無 序碳納米管層、有序碳納米管層或者碳納米管復合材料層。
10. 如權利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述上基板的材料為玻璃、 塑料、透明陶瓷或者高分子透明材料，該上基板的厚度為100微米 5毫米。
11. 如權利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述下基板的材料為玻璃、 鋅、鋁或者不銹鋼，該下基板的厚度為100微米 5毫米。
12. 如權利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述邊框支架的材料為玻 璃，高度為10(H鼓米 500孩i米。
13. 如權利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述支撐物的材料為玻璃， 形狀為小珠狀或者細絲狀。
14. 如權利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，該太陽能集熱器進一步包 括一間隔層，該間隔層形成于所述太陽能集熱器的空腔中，材料為透明的泡 沫型材料或者導熱效果較差的氣體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽能集熱器，該太陽能集熱器包括一上基板、一下基板、一吸熱層、一邊框支架和多個支撐物。所述上基板和所述下基板相對設置。所述邊框支架設置于所述上基板和下基板之間。所述上基板、下基板及邊框支架共同構成一空腔。所述吸熱層設置于所述下基板位于所述空腔內的上表面。所述多個支撐物間隔地設置于所述空腔內，并分別與所述上基板和吸熱層相接觸。所述吸熱層包括一碳納米管層，該碳納米管層包括至少一碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜包括多個沿同一方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。
文檔編號F24J2/48GK101556089SQ20081006657
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權日2008年4月11日
發(fā)明者亮 劉, 姜開利, 鵬 柳, 范守善, 陳丕瑾 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司