專利名稱：一種SiO₂氣凝膠槽式太陽能集熱管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光熱利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太陽能熱發(fā)電用高溫集熱管，尤其是一種以透明隔熱SiO2氣凝膠材料作為隔熱層的槽式太陽能集熱管及其制備方法。
背景技術(shù)：
能源短缺、資源枯竭、環(huán)境污染等問題已嚴(yán)重影響人們的生活和制約社會的發(fā)展。世界各國競相開展清潔能源和可再生能源的研究與開發(fā)。太陽能是當(dāng)前最具發(fā)展前景的可再生能源之一。目前，較為成熟的太陽能熱發(fā)電技術(shù)主要有光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。在太陽能熱發(fā)電技術(shù)中，通過聚光產(chǎn)生高溫進而發(fā)電，效率較高，更具有應(yīng)用前景。根據(jù)聚光方式不同，聚光類太陽能熱發(fā)電技術(shù)主要有(1)塔式太陽能熱發(fā)電；
(2)槽式太陽能熱發(fā)電；(3)碟式太陽能熱發(fā)電；(4)菲涅耳太陽能熱發(fā)電。其中，槽式太陽能集熱系統(tǒng)是太陽能熱發(fā)電技術(shù)中商業(yè)化并網(wǎng)發(fā)電最具有潛力的方式之一。對于槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，高溫集熱管是系統(tǒng)核心部件之一，用于吸收太陽能，將其轉(zhuǎn)換成熱能輸出。目前所用太陽能熱發(fā)電用高溫集熱管普遍使用的是金屬-玻璃真空集熱管。其一般結(jié)構(gòu)為表面涂覆有高溫選擇性涂層的金屬管內(nèi)管和具有高透過率的玻璃外管構(gòu)成。為了減少集熱過程中的熱損失，提高集熱效率，將內(nèi)外管之間的空隙抽成真空。太陽能集熱管中的工質(zhì)溫度一般在400°C，而玻璃外管溫度在100°C左右，由于金屬內(nèi)管和玻璃外管之間的熱膨脹系數(shù)顯著的差異，需要進行膨脹補償，通常的做法是通過金屬波紋管進行補償。波紋管和玻璃管之間通過可伐合金封接，并且因為玻璃外管為易破碎材料。在運輸和使用過程中容易在接縫處漏氣或者玻璃套管出現(xiàn)裂縫，這會使得整個集熱管真空度的消失，從而極大地降低集熱管的工作效率。氣凝膠(aerogel)具有密度低、孔隙率高、熱導(dǎo)率極低，能有效透過太陽光，且對中遠紅外線阻隔性能良好，能有效阻隔高溫?zé)崃肯虻蜏氐臒彷椛鋫鬟f損失，且隔熱保溫性能又好于現(xiàn)有的任何材料，是高溫集熱管理想的透明隔熱材料。然而，由于SiO2氣凝膠的強度較低，脆性大，耐磨性差,整體氣凝膠材料成本高,現(xiàn)工業(yè)化產(chǎn)品多為粉體材料,這給SiO2氣凝膠的工程應(yīng)用帶來局限性。目前，解決這一問題普遍采用復(fù)合的方法來擴大SiO2氣凝膠的應(yīng)用范圍，如中國專利CN1171094A (—種含有氣凝膠的復(fù)合材料、其制備方法和應(yīng)用)、CN1546312A (含有氣凝膠和粘合劑的復(fù)合材料、其制備方法及其應(yīng)用)、1622852A (耐熱氣凝膠絕緣復(fù)合材料及其制備方法、氣凝膠粘合劑組合物及其制備方法)、CN1546312A (氣凝膠復(fù)合柔性保溫隔熱薄膜及其制備方法)以及CN101143981A (—種含有氣凝膠顆粒的粉末涂料及其制備方法)等。但需指出，這些復(fù)合技術(shù)所制備的氣凝膠均無法獲得良好的太陽能透過率，不適用于高溫集熱管的透明隔熱保溫效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對太陽能真空集熱管技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出了采用透明絕熱SiO2氣凝膠材料技術(shù)替代真空技術(shù)作為集熱管的隔熱層以實現(xiàn)透光和隔熱保溫目的的解決方案，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單和制造工藝簡便，可靠程度高，且成本較低、性能穩(wěn)定的高溫集熱管及其制備方法。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管，包括玻璃套管和金屬吸熱管，所述的金屬吸熱管套裝在玻璃套管內(nèi)且金屬吸熱管的兩端伸出至玻璃套管外以連接外部熱力管路，所述玻璃套管內(nèi)表面和金屬吸熱管外表面之間設(shè)有透明SiO2氣凝膠，且透明SiO2氣凝膠兩端依靠密封部件密封。所述透明SiO2氣凝膠為空心圓筒狀，其外表面和玻璃套管內(nèi)表面緊密接合，內(nèi)表面與金屬吸熱管外表面緊密接合。所述的空心圓筒狀的透明SiO2氣凝膠材料外徑與內(nèi)徑之差為8 25_。

所述的透明SiO2氣凝膠具有如下特性，孔徑為l(T30nm，孔隙率不低于90%，熱導(dǎo)率不高于0.020ff/m2.k，太陽能總透過率不低于90%。所述的密封部件包括二金屬波紋管、二隔熱環(huán)和二合金蓋，所述的二金屬波紋管分別焊接在金屬吸熱管的兩端，使得金屬波紋管的內(nèi)表面與金屬吸熱管的外表面緊密相接，所述的二隔熱環(huán)分別套裝在金屬波紋管外且隔熱環(huán)的內(nèi)表面與金屬波紋管的外表面緊密相接，二隔熱環(huán)的外表面與玻璃套管的內(nèi)表面密封粘結(jié)，金屬吸熱管兩端的二金屬波紋管與二隔熱環(huán)將SiO2氣凝膠密封固定，所述的二合金蓋分別蓋在二玻璃套管和二隔熱環(huán)外偵牝并再與玻璃套管接合處密封焊接。所述的金屬吸熱管的外表面涂覆有太陽能光譜選擇性吸收涂層，涂層的厚度為2(Γ70 μ m,所述的太陽能光譜選擇性吸收涂層為TiAlON，NbAlON金屬復(fù)合氧化物或黑鉻涂層。上述的SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管的制備方法，包括以下步驟:步驟一:將烷氧基硅烷、蒸餾水、無水乙醇、鹽酸和表面改性劑混合攪拌并使其均勻混合和分散，然后加入氨水以調(diào)節(jié)混合溶液的PH值使其發(fā)生水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系；步驟二:將配制好的透明溶膠澆鑄于內(nèi)表面由金屬吸熱管外表面、外表面由玻璃套管內(nèi)表面構(gòu)成的筒狀模具內(nèi)，待其凝膠，形成與吸熱金屬管和玻璃套管一體化的濕凝膠；步驟三:25 45 °C下老化處理I 5天；步驟四:老化完成后，將與吸熱金屬管以及玻璃套管一體化的濕凝膠放置于超臨界流體干燥設(shè)備中進行干燥處理，得到與吸熱金屬管外表面以及玻璃套管內(nèi)表面緊密結(jié)合的一體化氣凝膠集熱管；步驟五:將玻璃套管兩端頭密封，即得到SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管。所述的步驟一中，透明溶膠體系的烷氧基硅烷、無水乙醇、蒸餾水、鹽酸、氨水和表面改性劑的摩爾比為1:3 12:2 9:0.8 5.4X10_3:0.8 5.4Χ10_3:0.1 1，制作步驟為先將烷氧基硅烷、無水乙醇、表面改性劑、蒸餾水、鹽酸按比例混合，均勻攪拌41小時后再逐滴滴加氨水，滴加完之后再攪拌5 15分鐘使其混合均勻，最后靜置1(Γ20分鐘，再澆鑄。所述的烷氧基硅烷包括正硅酸乙酯或正硅酸甲酯。
所述的表面改性劑包括二甲基二乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧二乙基二乙氧基硅烷、二乙氧基二丁氧基硅烷、三甲基氯硅烷中的一種或一種以上。本發(fā)明使用具有高透光率和超低導(dǎo)熱率的SiO2氣凝膠作為槽式太陽能集熱管的隔熱層，即將透明SiO2氣凝膠填充于金屬吸熱管和玻璃套管之間，可以在不損失太陽能的同時，有效阻斷金屬吸熱管和玻璃套管之間的熱傳導(dǎo)、對流傳熱以及由金屬吸熱管產(chǎn)生的熱輻射，且還可避免在運輸和使用過程中造成集熱管的損壞，既提高了集熱管的工作效率和運輸方便，同時大大延長了集熱管的使用壽命。本發(fā)明與現(xiàn)有的槽式太陽能真空集熱管相比，具有以下優(yōu)點(I) SiO2氣凝膠集熱管結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、壽命長。本發(fā)明所提供的高溫集熱管無需采用真空設(shè)計，而是采用透明SiO2氣凝膠來實現(xiàn)吸熱管的太陽輻射能透過和隔熱保溫目的，集熱管不會因為泄露問題而失效。此外，透明SiO2氣凝膠還可起到支撐件的作用，提高整個集熱管的抗壓強度。(2)采用溶膠-凝膠工藝和玻璃套管與金屬內(nèi)吸熱管作為部分澆注模具的一體化澆注、凝膠工藝和超臨界流體干燥工藝制備氣凝膠材料，簡化了工序，減少了濕凝膠在脫模、入爐以及搬運過程中因強度低所造成的損害，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成品率，成本低，另一方面，擴大了氣凝膠的工程應(yīng)用范圍；(3)采用溶膠-凝膠工藝和玻璃套管與金屬吸熱管作為部分澆注模具的一體化澆注、凝膠工藝和超臨界流體干燥工藝制造的高溫集熱管，具有制造工藝簡單，且氣凝膠不僅具有較好的彈性和強度，而且還能與玻璃套管和金屬吸熱管的表面具有較好的結(jié)合。(4)配制溶膠過程中加入二甲基二乙氧基硅烷等表面改性劑，使氣凝膠中SiO2納米顆粒組成的骨架的表面形成烷基，在低于550°C的使用溫度下，產(chǎn)品具有良好的疏水性，且工藝簡單，成本低。


圖1為本發(fā)明實施例1中的SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管的整體結(jié)構(gòu)示意圖；其中I為玻璃套管，2為金屬吸熱管，3為太陽能光譜選擇性吸收涂層，4為透明SiO2氣凝膠，5為金屬波紋管、6為隔熱環(huán)、7為合金蓋。
具體實施例方式
具體實施例方式為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細地說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，但保護范圍不受這些實施例的限制。請參照圖1，本發(fā)明SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管包括玻璃套管I和位于玻璃套管I內(nèi)的金屬吸熱管2，且金屬吸熱管2的兩端伸出至玻璃套管I外以連接外部熱力管路，金屬吸熱管2外表面涂覆有太陽能光譜選擇性吸收涂層3，所述玻璃套管I和位于玻璃套管I內(nèi)的金屬吸熱管2之間填充圓筒狀的透明SiO2氣凝膠4，圓筒狀的透明SiO2氣凝膠4外表面與玻璃套管I的內(nèi)表面緊密結(jié)合，圓筒狀的透明SiO2氣凝膠4內(nèi)表面與金屬吸熱管2的外表面緊密結(jié)合，通過金屬波紋管5、隔熱環(huán)6以及合金蓋7將透明SiO2氣凝膠4的端面封接；金屬波紋管5分別焊接在金屬吸熱管2的兩端，使得金屬波紋管5的內(nèi)表面與金屬吸熱管2的外表面緊密相接，隔熱環(huán)6套裝在金屬波紋管5外且隔熱環(huán)6的內(nèi)表面與金屬波紋管5的外表面緊密相接，隔熱環(huán)6的外表面與玻璃套管I的內(nèi)表面密封粘結(jié)，金屬吸熱管2兩端的金屬波紋管5與隔熱環(huán)6將SiO2氣凝膠密封固定，所述的合金蓋7蓋在玻璃套管I和隔熱環(huán)6外側(cè)，并再與玻璃套管I接合處密封焊接。本裝置作為太陽能吸收裝置的一部分，兩端均連接至熱力管路中。與現(xiàn)有槽式太陽能真空集熱管技術(shù)相比，在玻璃套管I和位于玻璃套管I內(nèi)的金屬吸熱管2之間，采用透明SiO2氣凝膠4作為隔熱層，可有效地阻隔金屬吸熱管2向玻璃套管I外表面的熱傳導(dǎo)、金屬吸熱管2與玻璃套管I之間的對流傳熱以及由金屬吸熱管2向玻璃套管I外表面的熱輻射，使得高溫集熱管具有更好的保溫性能，同時由于透明SiO2氣凝膠的引入還可提供高溫集熱管的抗壓性能，顯著提高其使用壽命。實施例1，制備上述SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管將烷氧基硅烷、無水乙醇、表面改性劑、蒸餾水、鹽酸按比例1:3 12:0.Γ1:2、:
0.8^5.4X 10_3混合，均勻攪拌，Γ8小時后再逐滴滴加氨水，氨水與鹽酸的摩爾比為1:1。滴加完之后再攪拌大約5 15分鐘使其混合均勻，停止攪拌靜置1(Γ20分鐘，再澆鑄于內(nèi)表面由金屬吸熱管外表面、外表面由玻璃套管內(nèi)表面構(gòu)成的筒狀模具內(nèi)，等待其凝膠，形成與吸熱金屬管和玻璃套管一體化的濕凝膠。待溶膠完全失去流動性后，25-45°C老化I飛天。將老化處理后的與吸熱金屬管和玻璃套管一體化的濕凝膠放置于超臨界流體干燥設(shè)備中，加入干燥介質(zhì)無 水乙醇于干燥設(shè)備內(nèi)，預(yù)充f4MPa的氮氣，再以3(T12(TC /h的升溫速度加熱到25(T270°C，保溫I 5h后，再以0.Γ .0MPa/h的速度釋放壓力至OMPa，最后以氮氣沖掃3(Tl20min。獲得與吸熱金屬管和玻璃套管一體化的SiO2氣凝膠。金屬吸熱管為不銹鋼管，外表面被SiO2氣凝膠緊密包覆，金屬吸熱管與SiO2氣凝膠之間是涂覆在吸熱管外表面的低輻射選擇性吸熱涂層(黑鉻涂層)。兩個金屬波紋管分別焊接在SiO2氣凝膠兩端的金屬吸熱管上。一端與SiO2氣凝膠緊靠，將SiO2氣凝膠鎖在中間。隔熱環(huán)的內(nèi)表面與金屬波紋管的外表面緊密相接，隔熱環(huán)的一端與SiO2氣凝膠緊密接合，隔熱環(huán)外表面與玻璃套管內(nèi)表面密封粘結(jié)，兩者固定相連。合金蓋將玻璃套管和隔熱環(huán)卡住，并在與玻璃套管接合處密封焊接。將與吸熱金屬管和玻璃套管一體化的濕凝膠進行超臨界干燥處理，獲得的SiO2氣凝膠與金屬吸熱管和玻璃套管接合緊密。隔熱環(huán)為陶瓷材料，與金屬波紋管的接合為焊接，隔熱環(huán)可以有效阻止玻璃套管和金屬吸熱管通過金屬波紋管進行熱傳遞。
權(quán)利要求
1.一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管，其特征在于，包括玻璃套管和金屬吸熱管，所述的金屬吸熱管套裝在玻璃套管內(nèi)且金屬吸熱管的兩端伸出至玻璃套管外以連接外部熱力管路，所述玻璃套管內(nèi)表面和金屬吸熱管外表面之間設(shè)有透明SiO2氣凝膠，且透明SiO2氣凝膠兩端依靠密封部件密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管，其特征在于，所述透明SiO2氣凝膠為空心圓筒狀，其外表面和玻璃套管內(nèi)表面緊密接合，內(nèi)表面與金屬吸熱管外表面緊密接合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管，其特征在于，所述的空心圓筒狀的透明SiO2氣凝膠材料外徑與內(nèi)徑之差為8 25_。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管，其特征在于，所述的透明SiO2氣凝膠具有如下特性，孔徑為l(T30nm，孔隙率不低于90%，熱導(dǎo)率不高于0.020W/m2.k，太陽能總透過率不低于90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管，其特征在于，所述的密封部件包括二金屬波紋管、二隔熱環(huán)和二合金蓋，所述的二金屬波紋管分別焊接在金屬吸熱管的兩端，使得金屬波紋管的內(nèi)表面與金屬吸熱管的外表面緊密相接，所述的二隔熱環(huán)分別套裝在金屬波紋管外且隔熱環(huán)的內(nèi)表面與金屬波紋管的外表面緊密相接，二隔熱環(huán)的外表面與玻璃套管的內(nèi)表面密封粘結(jié)，金屬吸熱管兩端的二金屬波紋管與二隔熱環(huán)將SiO2氣凝膠密封固定，所述的二合金蓋分別蓋在二玻璃套管和二隔熱環(huán)外側(cè)，并再與玻璃套管接合處密封焊接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管，其特征在于，所述的金屬吸熱管的外表面涂覆有太陽能光譜選擇性吸收涂層，涂層的厚度為2(Γ70 μ m，所述的太陽能光譜選擇性吸收涂層為TiAlON，NbAlON金屬復(fù)合氧化物或黑鉻涂層。
7.權(quán)利要求1-6任一項所述的SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:將烷氧基硅烷、蒸餾水、無水乙醇、鹽酸和表面改性劑混合攪拌并使其均勻混合和分散，然后加入氨水以調(diào)節(jié)混合溶液的pH值使其發(fā)生水解、縮合化學(xué)反應(yīng),在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系； 步驟二:將配制好的透明溶膠澆鑄于內(nèi)表面由金屬吸熱管外表面、外表面由玻璃套管內(nèi)表面構(gòu)成的筒狀模具內(nèi)，待其凝膠，形成與吸熱金屬管和玻璃套管一體化的濕凝膠； 步驟三:25 45 °C下老化處理I 5天； 步驟四:老化完成后，將與吸熱金屬管以及玻璃套管一體化的濕凝膠放置于超臨界流體干燥設(shè)備中進行干燥處理，得到與吸熱金屬管外表面以及玻璃套管內(nèi)表面緊密結(jié)合的一體化氣凝膠集熱管； 步驟五:將玻璃套管兩端頭密封，即得到SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管的制備方法，其特征在于，所述的步驟一中，透明溶膠體系的烷氧基硅烷、無水乙醇、蒸餾水、鹽酸、氨水和表面改性劑的摩爾比為1:3 12:2 9:0.8 5.4X1(T3:0.8 5.4X10_3:0.1 I，制作步驟為先將烷氧基硅烷、無水乙醇、表面改性劑、蒸餾水、鹽酸按比例混合，均勻攪拌Γ8小時后再逐滴滴加氨水，滴加完之后再攪拌5 15分鐘使其混合均勻，最后靜置1(Γ20分鐘，再澆鑄。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管的制備方法，其特征在于，所述的烷氧基硅烷包括正硅酸乙酯或正硅酸甲酯。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管的制備方法，其特征在于，所述的表面改性劑包括二甲基二乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧二乙基二乙氧基硅烷、二乙氧基 二丁氧基硅烷、三甲基氯硅烷中的一種或一種以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管及其制備方法。包括玻璃套管、玻璃套管內(nèi)的金屬吸熱管以及位于上述玻璃套管和金屬吸熱管之間的透明SiO2氣凝膠，該透明SiO2氣凝膠為空心圓筒狀，其外表面和玻璃套管的內(nèi)表面緊密接合，內(nèi)表面與金屬吸熱管的外表面緊密接合；兩端頭用金屬波紋管、陶瓷隔熱環(huán)以及合金蓋密封，即為SiO2氣凝膠槽式太陽能集熱管。本發(fā)明的透明SiO2氣凝膠具有高的太陽能透過率和超級隔熱性能，能有效阻止吸熱金屬管與玻璃套管之間的熱傳導(dǎo)和對流以及熱輻射引起的熱損失，大大提高了集熱管的工作效率，且性能穩(wěn)定、可靠程度高，制造工藝簡便，成本較低。
文檔編號F24J2/51GK103075828SQ20131003783
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者盧孟磊, 盧斌 申請人:盧孟磊