TWI378217B - Solar collector - Google Patents

Description

1378217 101年07月19日核正替换頁 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及一種太陽能集熱器。 【先前技術】 [0002] 隨著現代工業和社會的發展，人類社會對於資源和能源 的依賴日益加強。而眾所周知，地球上的資源和能源係 有限的，故於各種經濟、政治、科學研究活動中，資源 和能源的問題成了首要問題。而由於部分資源可以通過 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。太陽能係人類可以利用的最豐富的能源，也係 最廉價的，最潔淨的，最有發展前途的能源。太陽能電 池和太陽能集熱器係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 高於其他太陽能利用的方式。但目前太陽能集熱器由於 受結構和材料等方面的因素局限，應用範圍和領域還比 較窄。

[0003] 目前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，vol9， p396-405( 1 988))和太陽能板式集熱器兩種。請參閱圖 1，為先前技術中太陽能管式集熱器300，包含一放置於 地面上的座體30、一裝設於該座體30—側的儲水桶32、 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接收到太陽能後，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 Ο·624产單編號A0101 第3頁/共18頁 1013277049-0 1378217 [0004] [0005] [ϊόΐ年07月19日梭正钥碎] ，進而使所述真空吸熱管34内的液體達到自然對流循環 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 ，ia成有效集熱面積變小。而且，所述真空吸熱管Μ的 内側會生成水垢，故需要定期清潔、保養，以維持良好 的熱傳導效率，不但費時而且費力。 太陽能板式餘H的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，先前技術中的太陽能板 式集熱盗500包含一上基板5〇、一下基板52、邊框支架 56和複數個支撐物58。其中，所述上基板5〇為一透光基 板，由玻璃、塑膠等透明材料製成。下基板52為一吸熱 板，由銅、鋁合金（優選防銹鋁）、不銹鋼、鋅等材料 製成。所述上基板5〇和下基板52構成一空腔6〇，該空腔 60的兩侧設有邊框支架56 ^所述上基板5〇和下基板52之 間設置有複數個支撐物58。 然而，為防止所述下基板52於製備的過程中被氧化，該 下基板52需要於較高的真空絕熱環境下進行製備，並要 加熱到較高的溫度，生產工藝複雜。因此，使得下基板 52的製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，不適於大面積普及推廣應 用。另外，所述太陽能板式集熱器5〇〇中下基板52本身也 作為吸熱層，故下基板52材料的選擇受到限制.，必須係 吸熱材料，而採用銅、鋁合金等吸熱材料製成的下基板 52，由於s玄下基板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。 第4頁/共18頁 〇97丨1624产單編號A0101 1013277049-0 Ϊ378217 [0006] 101年.07月19日修正替換頁 有鑒於此’提供一種具有較高的轉化效率且下基板材料 的選擇不受限制的太陽能集熱器實為必要。 【發明内容】 種太陽能集熱器包括_上基板、—下基板、一吸熱層 、一邊框支架和複數個支撐物。所述上基板和所述下基 板相對設置。所述邊框支架設置於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 。所述吸熱層設置於所述下基板位於所述空腔内的上表 面。所述複數個支偉&間隔地設置於所述空腔内，並分 別與所述上基板和吸熱層相接觸。所述吸熱層為一奈米 碳管複合材料層’所述奈米碳管複合材料層包括複數奈 米碳官’所述複數奈米碳管吸收太陽光並將吸收的太陽 光轉化為熱能。 _8]與先前技術相比較’所述太陽能集熱器具有以下優點： 其一，由於奈米碳管具有良好的吸熱性，故，採用奈米 碳管複合㈣層作吸熱層，可提高太陽能錢器對太陽 Φ 能的能量轉化效率，對太陽能吸收均勻。其二，由於採 用奈米碳管複合材料層作為吸熱層，故下基板材料的選 擇不受限制。 【實施方式】 圃以下縣合_詳細說明本技術方案太陽能集熱器。 _料閱圖3及圖4，本技術方案實施例提供—種太陽能集 熱器100包括一上基板10、一下基板12、一吸熱層14、 一邊框支架16和複數個支撐物18。所述上基板1〇和所述 下基板12相對設置。所述邊框支架16設置於所述上基板 額1624#單編號A〇101 第5頁/共18頁 ^ 1013277049-0 1378217 101年07月19日修正替換頁 10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設置於位於所述 空腔20内的所述下基板12的上表面121。所述複數個支撐 物18間隔地設置於所述空腔20内，並分別與所述上基板 10和吸熱層14相接觸。所述吸熱層14包括一奈米碳管複 合材料層。

[0011] 所述上基板10為一透光基板，用於透過太陽光。該上基 板10採用透明材料製成，如玻璃、塑膠、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 ，優選為3毫米。所述上基板10的形狀不限，可以係三角 形、六邊形、四邊形等，可依據需求製成任意形狀。 [0012] 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，用於收集並傳遞太陽光的能量。該下基板12可 採用玻璃製成，或者採用導熱性能較好的材料製成，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，優選為3毫米。所述下基板12的形狀不限，可以係 三角形、六邊形、四邊形等，可依據需求製成任意形狀 [0013] 所述邊框支架16可採用玻璃等材料製成。所述邊框支架 16的高度為100微米〜500微米，優選為150微米~250微 米。 [0014] 所述空腔20内為真空絕熱環境，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陽能集熱器100的熱效率 09711624脊單编號 A〇101 第6頁/共18頁 1013277049-0 Ϊ378217 101年07月19日按正替换頁 。另外，所述空腔20内也可以不採取真空的環境，可以 於所述空腔20中填充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 如耐熱塑膠製成，也可以採用一些導熱效果較差的氣體 如氮氣充當間隔層。 [0015] 所述吸熱層14包括一奈米碳管複合材料層，該奈米碳管 複合材料層包括複數個奈米碳管和黑色不透光材料。該 黑色不透光材料為碳顆粒或者石墨乳等。該奈米碳管於 所述奈米碳管複合材料層中無序排列且均勻分佈。所述 奈米碳管複合材料層中奈米碳管的質量百分含量為80%以 上，黑色不选光材料的質量百分含量為20%以下。 [0016] 本實施例中所述吸熱層14的製備方法包括以下步驟： [0017] 首先，提供一奈米碳管漿料。所述奈米碳管漿料包括奈 米碳管、黑色不透光材料及有機載體。本實施例優選50% 的奈米碳管、20%的碳顆粒及30%的有機載體。所述有機 載體包括作為主要溶劑的松油醇、作為增塑劑的少量f 位苯二曱酸二丁酯及作為穩定劑的少量乙基纖維素。將 各成份按比例混合後，可通過超聲震盪的方法使各成份 於漿料中均勻分散而得到均勻穩定的漿料。 [0018] 然後將上述奈米碳管漿料通過絲網印刷或者直接塗布方 法涂覆於位於所述空腔20内的所述下基板12的上表面121 ，並去除奈米碳管漿料中的有機載體，形成所述吸熱層 14。去除有機載體可以用烘乾或者自然晾乾的方法。 [0019] 所述奈米碳管複合材料層中奈米碳管可為單壁奈米碳管 09711624^^^^ A0101 第7頁/共18頁 1013277049-0 1378217 101年07月19日按正替換頁

、雙壁奈米碳管或者多壁奈米碳管。當奈米碳管複合材 料層中的奈米碳管為單壁奈米碳管時，該單壁奈米碳管 的直徑為0. 5奈米-50奈米。當奈米碳管複合材料層中的 奈米碳管為雙壁奈米碳管時，該雙壁奈米碳管的直徑為 1. 0奈米〜50奈米。當奈米碳管複合材料層中的奈米碳管 為多壁奈米碳管時，該多壁奈米碳管的直徑為1. 5奈米 〜50奈米。所述奈米碳管複合材料層包括黑色的奈米材料 即奈米碳管，奈米碳管具有良好的吸光特性和導熱率高 的優異特性，故，所述奈米碳管複合材料層對於太陽光 有較好的吸收特性。且通過絲網印刷或者直接塗布方法 I 就可製成奈米碳管複合材料層，製備方法簡單，成本較 低，適於大面積普及推廣應用。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的厚度越厚，對於太陽光的吸收 效率越高。所述吸熱層14的厚度為3微米〜2毫米。

[0020] 所述複數個支撐物18用於抵抗大氣壓力，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係由吸熱性較弱的材 料製成，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。 [0021] 所述太陽能集熱器100為一平板型結構。另外，所述太陽 能集熱器100還可製成其他的各種形狀，比如柱面、球面 等多種曲面形式。所述太陽能集熱器100可以廣泛應用於 建築結構的外牆上，從而實現為建築物内部的供暖。所 述太陽能集熱器100的上基板10和下基板12可以方便地製 0971刪#單编號A0101 第8頁/共18頁 1013277049-0 1378217 101年07月19日梭正替換頁 成各種形狀，起到裝飾的作用。

[0022] 所述太陽能集熱器100進一步包括一反射層22，該反射層 22設置於所述上基板10位於空腔20内的下表面101，厚 度為10奈米〜1微米。一個理想的太陽能集熱器100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 地減少其自身的輕射熱損，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100於可見光及 近紅外光波段反射率低即吸收比高，而於中、遠紅外光 波段反射率高即發射率低。這就需要於所述太陽能集熱 器100内設置一反射層22。該反射層22為一紅外反射層， 如氧化銦錫薄膜或者一奈米碳管結構。該奈米碳管結構 包括無序奈米碳管層、有序奈米碳管層或者奈米碳管複 合材料層。所述反射層22對於可見光及近紅外光係透明 的，具有非常好的透過可見光及近紅外光、並反射中、

遠紅外光的特點，從而可以減少所述太陽能集熱器100對 太陽能能量的輻射損失，增大該太陽能集熱器100對太陽 叙的能量轉化效率。所述反射層22和所述吸熱層14可以 均為奈米碳管結構，但所述反射層2 2的厚度比所述吸熱 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。 [0023] 進一步，還可以將一循環液流層24設置於所述太陽能集 熱器100的下基板12的下表面122，如將溫度較低的水或 者乙二醇等液體作為循環液。所述太陽能集熱器100可以 直接把水加熱作為熱水使用，或者將熱量帶走作為其他 的應用，比如海水淡化、製冷、發電等。 097Π624#單編號施01 第9頁/共18頁 1013277049-0 1378217 101年07月19日梭正替換頁 [0024] 所述太陽能集熱器100於太陽光透過所述透光的上基板10 後照射到所述吸熱層14。由於該吸熱層14包括黑色的奈 米材料即奈米碳管，所述吸熱層14對於太陽光的可見光 及近紅外光波段都具有比較好的吸收，轉變為熱能，然 後通過所述集熱的下基板12將熱能傳給所述循環液流層 24。由於吸熱層14中的奈米碳管具有穩定性好和導熱率 高的優異特性，可提高吸熱層14將熱能傳給所述循環液 流層24的效率。另外，所述吸熱層14吸收太陽能後溫度 升高，而後吸熱層14作為一熱源也會向外轄射熱量。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 内，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。

[0025] 所述太陽能集熱器具有以下優點：其一，由於奈米碳管 具有良好的吸熱性，故，採用奈米碳管複合材料層作吸 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，由於採用奈米碳管複合材料 層作為吸熱層，故下基板材料的選擇不受限制。 [0026] 綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提 出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例 ，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案 技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化， 皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 [0027] 圖1係先前技術中的太陽能管式集熱器的結構示意圖。 [0028] 圖2係先前技術中的太陽能板式集熱器的結構示意圖。 Q97U624产單编號A0101 第10頁/共18頁 1013277049-0 Ϊ378217 101年07月19日梭正替換頁 [0029] 圖3係本技術方案實施例的太陽能集熱器的側視結構示意 圖。 [0030] 圖4係本技術方案實施例的太陽能集熱器的俯視結構示意 圖。 【主要元件符號說明】 [0031] 上基板：10，50 [0032] 太陽能集熱器：100 [0033] 上基板的下表面：101

[0034] 下基板：12，5.2 [0035] 下基板的上表面：121 [0036] 下基板的下表面：122 [0037] 吸熱層：14 [0038] 邊框支架：16, 56 [0039] 支撐物：18，58

[0040] 空腔：20，60 [0041] 反射層：22 [0042] 循環液流層：24 [0043] 座體：3 0 [0044] 儲水桶：32 [0045] 真空吸熱管：34 09711624^料號 A〇101 第11頁/共18頁 1013277049-0 1378217 101年07月19日修正替換頁 [0046] 太陽能管式集熱器：300 [0047] 太陽能板式集熱器：500

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Claims (1)

1. Ϊ378217 101年07月19日梭正替換頁 七、申請專利範圍： 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，該邊框支架設置於所述上基板和下基板之間 ，並與所述上基板和下基板共同構成一空腔； 複數個支撐物，該複數個支撐物間隔地設置於所述空腔内 ，並分別與所述上基板和下基板相接觸；

   其改良在於，所述太陽能集熱器進一步包括一吸熱層，該 吸熱層設置於下基板位於所述空腔内的上表面，該吸熱層 包括一奈米碳管複合材料層，所述奈米碳管複合材料層包 括複數奈米碳管，所述複數奈米碳管吸收太陽光並將吸收 的太陽光轉化為熱釦。 2 .如申請專利範圍第1項所述的太陽能集熱器，其中，所述 奈米碳管複合材料層包括黑色不透光材料。

   3. 如申請專利範圍第2項所述的太陽能集熱器，其中，所述 奈米碳管複合材料層中奈米碳管的質量百分含量為80%以 上，黑色不透光材料的質量百分含量為20%以下。 4. 如申請專利範圍第2項所述的太陽能集熱器，其中，所述 複數個奈米碳管於所述奈米碳管複合材料層中無序排列且 均勻分佈。 5. 如申請專利範圍第2項所述的太陽能集熱器，其中，所述 黑色不透光材料為碳顆粒或者石墨乳。 6 .如申請專利範圍第1項所述的太陽能集熱器，其中，所述 吸熱層的厚度為3微米~2毫米。 隱廳^單編號A0101 第13頁/共18頁 1013277049-0 i 1378217 卜01年正替換頁I 7·如申請專利範圍第1項所述的太陽能集熱器，其中，所述 太陽此集熱器進-步包括—遠紅外光反射層該遠紅外光 反射層設置於所述上基板位於空腔内的下表面。 - 8 ·如申請專利範圍第7項所述的太陽能集熱器，其中，所述 . 遠紅外光反射層的厚度為10奈米〜丨微米。 9.如申請專利範圍第7項所述的太陽能集熱器，其中，所述 遠紅外光反射層為氡化銦錫薄膜或者奈米碳管結構β 10.如申請專利範圍第9項所述的太陽能集熱器其中，所述 奈米碳管結構包括無序奈米碳管層、有序奈米碳管詹或者 奈米碳管複合材料層。 · 11 .如申請專利範圍第1項所述的太陽能集熱器，其中，所述 上基板的材料為玻璃、塑膠、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。 12.如申凊專利範圍第丨項所述的太陽能集熱器，其中，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。 13 .如申凊專利範圍第1項所述的太陽能集熱器，其中，所述 邊框支架的材料為玻璃，高度為1()()微米〜㈣微米。 # 14 .如申凊專利範圍第1項所述的太陽能集熱器，其中，所述 支撐物的材料為破璃，形狀為小珠狀或者細絲狀。 15 ·如申請專利範圍第丨項所述的太陽能集熱器，其中，該太 陽旎集熱器進一步包括一間隔層，該間隔層填充於所述太 陽能集熱器的空腔中，材料為塑膠或者氮氣。 09711624#單编號AO!〇l 第14頁/共18頁 、 1013277049-0 J