[发明专利]一种分光谱的气凝胶太阳能集热管及制备方法

说明书

本发明提供一种分光谱的气凝胶太阳能集热管及制备方法，包括玻璃管、气凝胶基体、填充在气凝胶基体内具有分光谱吸收的纳米颗粒和增透膜层组成。气凝胶基体为多孔结构，紧密附着在所述的玻璃管外壁面上，纳米颗粒在所述的气凝胶基体内的填充因子从外到内为逐渐增大的渐变吸收层结构，从而对太阳光不同光谱进行选择性吸收并转化为热能，增透膜层为硅基高透光材料，且附着在气凝胶基体的外壁和玻璃管的内壁上。本发明以具有纳米颗粒的气凝胶基体代替传统太阳能集热管的外层玻璃管、真空层和选择性吸收膜层，实现不同光谱的太阳光高吸收和高透过，提高了太阳能综合利用效率。

技术领域

本发明属于太阳能领域，具体涉及一种分光谱的气凝胶太阳能集热管及制备方法。

背景技术

氢能是未来非常重要的清洁能源，采用可再生的太阳能进行光催化水或生物质制氢将具有非常广阔的应用前景。但在进行太阳能光催化水或生物质制氢时由于只能利用太阳光谱(250nm-2500nm)的短波部分如600nm以下才能进行光催化，导致太阳能利用率非常低。为了进一步提高太阳能利用率及制氢效率，采用光热协同催化制氢的方式逐渐成为当前太阳能制氢的研究热点。因此，为了同时实现太阳光的光热转化和光催化，需要开发出具有分光谱利用的太阳能集热管，一方面满足光催化所需光谱的太阳光能够进入集热管的流体中的要求，另一方面需要将其余光谱的太阳光转化为流体的热能。

目前传统的全玻璃真空集热管是非直通的集热管，玻璃外管和玻璃内管之间为真空层，减少集热管的热损失，玻璃内管上选择性吸收膜层为非透明膜层，太阳光难以直接进入流体进行光催化，只能加热管内流体，同时冷热流体只能从相同的端口进出，难以应用到太阳能光热协同催化制氢中。另一种太阳能集热管为直通式玻璃-金属结构集热管，其内管为金属内管，外管为玻璃外管，为了缓解金属内管和玻璃外管间热膨胀差，需要在端部采用波纹管避免玻璃外管受拉力损坏，玻璃外管和金属内管间同样需要抽真空降低热损失，但由于金属内管只能加热管内流体不能实现太阳光进入流体光催化也难以在太阳能光热协同催化制氢中应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种分光谱的气凝胶太阳能集热管及制备方法，实现不同波段的太阳光吸收和透过，省去玻璃外管和真空层，降低热损失和制造工艺，提高太阳能综合利用效率。本发明在玻璃管外面采用透光的气凝胶进行保温，并通过调节气凝胶内纳米粒子实现不同波段的太阳光吸收和透过，不仅解决了目前传统太阳能集热管非直通导致的不能串联问题，同时也避免了抽真空及玻璃内管与玻璃外管间热膨胀差导致的损坏问题，显著提高太阳能综合利用效率和运行经济性。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种分光谱的气凝胶太阳能集热管，包括玻璃管、气凝胶基体、填充在气凝胶基体内具有分光谱吸收的纳米颗粒和增透膜层组成，所述的气凝胶基体为多孔结构，且紧密附着在所述的玻璃管外壁面上，其厚度为1-60mm；所述的纳米颗粒在所述的气凝胶基体内的填充因子从外到内为逐渐增大的渐变吸收层结构，从而对太阳光不同光谱进行选择性吸收并转化为热能；所述的增透膜层为硅基高透光材料，且附着在所述是气凝胶基体的外壁和玻璃管的内壁上；所述的具有纳米颗粒的气凝胶基体的总导热系数不超过0.2W/(m·K)。

进一步的，所述气凝胶基体为二氧化硅气凝胶多孔材料，其最大孔隙不超过20nm。

进一步的，所述纳米颗粒为掺铯氧化钨纳米或氧化铟锡颗粒，其当量直径范围为5-50nm。

进一步的，所述纳米颗粒在所述的气凝胶基体内从外到内的填充因子从0.01％逐渐升高到最高不超过5％，从而实现对太阳光中超过600nm以上波长的光谱高效吸收，而对低于600nm以下波长的光谱高效透过。

进一步的，所述的增透膜层厚度为80-200nm，其在太阳光谱从300-2500nm范围内透光率超过95％。