本發(fā)明屬于太陽能熱水器集熱系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于太陽能熱水器的Si₃N₄納米太陽能吸收劑。

背景技術(shù)：

目前，隨著“節(jié)能環(huán)?！崩砟钪鸩缴钊氲饺藗冃闹校裉柲苓@樣的清潔能源越來越受到大家的歡迎，其中廣受歡迎的太陽能熱水器便很好的說明了這一點。太陽能熱水器是一種能夠?qū)⑻柟饽苻D(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水需求的設(shè)備。市場上常見的熱水器按照結(jié)構(gòu)形式分為：真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器。目前在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是真空管式太陽能熱水器，而國際上一般都是平板式太陽能熱水器應(yīng)用較多。真空管式太陽能熱水器是由：集熱器，儲熱桶，水管、支架及配件等部分組成。真空管是真空集熱器的核心部件，是整個太陽能系統(tǒng)的發(fā)動機。其優(yōu)劣性能直接決定了太陽能熱水器系統(tǒng)的性能和壽命。管內(nèi)外玻璃間被抽成高真空，使對流和傳導(dǎo)熱損失降到最低。目前的太陽能熱水器多采用高效Al-N/Al吸熱涂層真空管集熱器，具有高太陽能吸收比和低發(fā)射比涂層，將吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能；利用冷水比重大于熱水比重的特點，在真空集熱器內(nèi)形成冷水由上而下、熱水由下而上的水流循環(huán)，通過這樣的循環(huán)，使保溫水箱內(nèi)的水溫逐漸升高。由于真空集熱管的真空夾層具有良好的保溫性能，圓柱形的吸熱層對太陽有自然跟蹤性，因此只要有太陽輻射真空集熱管就可以工作，即使在高冷地區(qū)，一年四季也可正常運行。但是，由于真空管式太陽能集熱器是由若干根真空管組成的，真空管之間存在一定間隙間隙，當(dāng)太陽光照射到集熱系統(tǒng)基板上時，有一部分太陽光輻射到兩真空管之間的間隙位置，這對于集熱系統(tǒng)來說是一部分無效的能量，只有照射到真空管上的太陽光才能有效的被真空管內(nèi)壁外表面的吸收涂層所吸收轉(zhuǎn)化為熱能。所以有效吸收面積小，太陽吸收利用率不是太高為60％左右。同時，真空管內(nèi)壁外表面是利用高真空反應(yīng)蒸鍍，磁控濺射等技術(shù)鍍上具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性的選擇吸收涂層，但是這種技術(shù)中涂層工藝比較復(fù)雜，成本較高。平板太陽能熱水器主要是由平板集熱器、儲水箱、水管、支架及配件等部分組成，其中平板集熱器是平板太陽能熱水器的關(guān)鍵部件，其熱性能高低是衡量熱水器好壞的重要指標(biāo)。具有較高的熱效率。相比于真空管太陽能熱水器來說，平板太陽能集熱器是一個連續(xù)的平面，整個集熱器表面都可以接受太陽光。所以，在相同的采光面積和日照強度下，平板太陽能熱水器的日平均效率一般要高于真空管太陽能熱水器日平均效率6％以上。同時又具有良好的承壓性能，組成大系統(tǒng)時性能穩(wěn)定。但是平板式太陽能熱水器也有一些缺點，一方面，平板太陽能熱水器的版芯不是真空，隔熱效果不是很好，自身散熱比較大，相較于真空管太陽能熱水器，其冬天散熱較快。另外，由于平板式太陽能熱水器安裝需要全銅管連接，內(nèi)部構(gòu)造也均為銅件，所以從造價和安裝來說，前期投入要比真空管式的大。西安利澳科技股份有限公司的專利技術(shù)“太陽能吸收涂料”(專利號2010106238566，申請公布號CN 102134428A)中公開了一種用于把太陽能(光)轉(zhuǎn)變成熱能的太陽能吸收涂料，它提供了三種太陽能選擇性吸收涂料，該涂料由樹脂、吸收劑、體質(zhì)顏料、助劑和溶劑配制而成,涂層顏色是由多種吸收劑(顏料)復(fù)配而成的,涂料的主要功能是把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，并具有一定的裝飾性，涂層顏色為棕紅色、深綠色及黑色，涂層對太陽光的吸收比為0.95。但是這種發(fā)明還是將吸收涂料應(yīng)用于真空管壁涂層，在對集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面沒有做改進，依然具有真空管式熱水器的太陽能的利用率低和造價高，工藝復(fù)雜的缺點。蕪湖市晨曦新型建材科技有限公司擁有的專利技術(shù)“太陽能吸熱材料”(專利號2015103912598，申請公布號CN 105038551A)中公開了太陽能吸熱材料，包括以樹脂、固化劑、吸收劑、溶劑、助劑、吸收增強劑，他們是通過在涂料中添加2-溴-2-(2-氟苯基)-1-環(huán)丙基乙酮，與樹脂、吸收劑形成光學(xué)陷阱捕獲劑，對太陽能的吸收率可達到96-96.5％，發(fā)射率為0.2-0.25。但是這項專利主要屬于用于平板集熱器的太陽能吸熱材料。仍然在結(jié)構(gòu)上還是存在平板集熱器的自身缺點：吸熱效率雖高，但是散熱比較大，隔熱效果差。

綜上所述，目前國內(nèi)市場對于真空管式熱水器對太陽光的有效吸收面積小，在相同的采光面積和日照強度下，真空管太陽能熱水器對太陽光吸收利用率僅為60％左右；在玻璃內(nèi)管外表面上采用高真空反應(yīng)蒸鍍，磁控濺射等技術(shù)鍍上具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性的選擇吸收涂層，薄膜或涂層工藝比較復(fù)雜，成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于太陽能熱水器的Si₃N₄納米太陽能吸收劑，旨在解決現(xiàn)有目前國內(nèi)市場對于真空管式熱水器對太陽光的有效吸收面積小，在相同的采光面積和日照強度下，真空管太陽能熱水器對太陽光吸收利用率僅為60％左右；在玻璃內(nèi)管外表面上采用高真空反應(yīng)蒸鍍，磁控濺射等技術(shù)鍍上具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性的選擇吸收涂層，薄膜或涂層工藝比較復(fù)雜，成本較高的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種Si₃N₄納米太陽能吸收劑，所述Si₃N₄納米太陽能吸收劑由納米粉末、分散劑、分散介質(zhì)和pH調(diào)節(jié)劑組成；

每100g的分散介質(zhì)中加入1g～2g納米粉末，并按質(zhì)量比0.4％～0.6％加入分散劑，添加甲酸和氨水作為pH調(diào)節(jié)劑；

所述納米粉末為黑色納米Si₃N₄顆粒；所述分散劑為聚乙二醇PEG4000；所述分散介質(zhì)為去離子水。

進一步，所述黑色納米Si₃N₄顆粒的粒徑為20nm～50nm。

進一步，所述甲酸純度≥88.0％；所述的氨水純度為25％～28％；所述pH調(diào)節(jié)劑添加量為5mL～7mL；甲酸和氨水體積比1:1.5～3；所述pH調(diào)節(jié)劑的pH為8～10，采用表面活性劑聚乙二醇PEG4000作為納米Si₃N₄顆粒在水溶液中分散的分散劑；所述黑色納米Si₃N₄顆粒的純度大于95wt％。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述Si₃N₄納米太陽能吸收劑的制備方法，所述Si₃N₄納米太陽能吸收劑的制備方法包括：

每100g的分散介質(zhì)中加入1g～2g黑色納米Si₃N₄顆粒，添加按質(zhì)量比為0.4％～0.6％的分散劑，并添加甲酸和氨水作為pH調(diào)節(jié)劑，混合均勻，得到穩(wěn)定的Si₃N₄納米太陽能吸收劑料漿。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用所述Si₃N₄納米太陽能吸收劑的制造的太陽能熱水器。

進一步，將Si₃N₄納米太陽能吸收劑料漿向安裝在太陽能集熱基板上帶有密封進料口的透明真空玻璃箱注入；注入的Si₃N₄納米太陽能吸收劑料漿完全淹沒透明真空玻璃箱內(nèi)部的導(dǎo)熱水管。

進一步，所述太陽能熱水器設(shè)置有：

水箱，用于存放用水，通過水管將水引進用戶；

支架，用于支撐熱水器；

進料口，用于加入納米太陽能吸收料漿，加入料漿后用防腐蝕的耐溫塞子塞住，設(shè)置在透明真空玻璃箱的上部靠近側(cè)面位置；

導(dǎo)熱水管，用于盛裝用水，將漿料吸收熱量傳遞到水管中的用水，進行冷熱水交換；

透明真空玻璃箱，用于裝納米太陽能吸收料漿，通過進料口將料漿注入真空玻璃箱中，通過太陽光照射玻璃箱使其轉(zhuǎn)化為箱中納米太陽能吸收劑料漿的熱量。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用所述Si₃N₄納米太陽能吸收劑的制造的熱水器集熱系統(tǒng)。

本發(fā)明將現(xiàn)有真空管式熱水器中的真空管用抗高溫抗壓，防凍的玻璃導(dǎo)熱管代替，集熱板上增加一個密封的帶有進水口的透明真空玻璃箱，將玻璃導(dǎo)熱水管鑲嵌在真空玻璃箱中；在真空玻璃箱中加入適量的已經(jīng)配置好的具有穩(wěn)定分散性的納米太陽能吸收劑料漿，當(dāng)太陽輻射透過透明真空玻璃箱體時，利用納米顆粒分散水中納米顆粒自身具有的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)(較大的比表面積)的特性，對太陽光具有很大的吸收效率和利用率(達到85％～95％)，太陽能轉(zhuǎn)化為真空玻璃箱中料漿的熱量；然后通過熱量傳遞將介質(zhì)料漿的熱能傳遞給了玻璃管中的民用水；既提高了太陽光的吸收效率，也可以解決現(xiàn)有的技術(shù)問題中兩個真空管之間有間隙而不能以更大有效面積吸收太陽輻射能量的問題。

本發(fā)明的真空玻璃水箱是用來裝配置好的納米太陽能吸收劑料漿，而且是可拆卸的，可拆卸是為了將部件分離，方便運輸；玻璃箱實現(xiàn)透明，是為了讓輻射進入箱體中的太陽能量更大。采用密封，真空，是為了保證箱中的漿料不揮發(fā)，而且達到良好的保溫效果；尤其夜間或者在溫差比較大的地方，可以減小箱內(nèi)的熱量擴散到空氣中而造成熱損失，從而降低熱量吸收效率。在真空玻璃箱中加入納米太陽能吸收劑料漿量剛好完全將玻璃導(dǎo)熱水管掩蓋，是為了保證導(dǎo)熱水管全方位的吸收來自料漿的熱量；利用料漿代替現(xiàn)有技術(shù)中真空管內(nèi)管外表面蒸鍍選擇性的吸波材料；可以大大減少復(fù)雜的工藝，降低了蒸鍍所產(chǎn)生的成本。

將現(xiàn)有技術(shù)中的真空管用抗高溫抗壓，防凍的玻璃導(dǎo)熱水管代替，主要是因為本發(fā)明的納米吸收劑的料漿是加在真空玻璃箱中，而不是現(xiàn)有技術(shù)中的涂層，做成玻璃導(dǎo)熱管有助于漿料吸收的熱量快速傳遞到玻璃水管中的民用水，在短時間內(nèi)提高水溫。在水中加入一定量的分散劑和適量的納米黑體顆粒，同時加入水溶液的pH調(diào)節(jié)劑，使得納米顆粒穩(wěn)定的分散懸浮在水中。由于吸收劑顆粒尺寸屬于納米級，具有很大的比表面積，利用納米顆粒的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，當(dāng)太陽光照射水溶液時，對太陽光的吸收效率較薄膜和涂層材料高。

本發(fā)明是在現(xiàn)有真空管式太陽能熱水器的基礎(chǔ)之上進行方案改進同時又類似于平板式熱水器但又不同于平板太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)。在集熱板上增加真空玻璃箱體，在箱體中加入配置好的分散穩(wěn)定性好的納米太陽能吸收劑料漿，相當(dāng)于太陽光照射到了一個大的連續(xù)的吸收平面上，通過這種改進方式代替了現(xiàn)有技術(shù)中在真空管內(nèi)管表面蒸鍍選擇性吸波材料的方式，填充了兩真空管間的間隙，增大對太陽光的有效吸收面積，利用納米顆粒的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，對太陽輻射吸收率有較大提高，工藝簡單；本發(fā)明中通過配置太陽能納米吸收漿料來替代傳統(tǒng)的真空管內(nèi)壁外表面真空鍍膜，減少過程成本，每克納米顆粒配料要比蒸鍍膜，更節(jié)省成本。同時因為設(shè)計的玻璃箱體是真空的，隔熱，防凍效果好，有效的防止料漿的熱量損失。

本發(fā)明的納米吸收劑是黑體材料能高效的將太陽能(光)轉(zhuǎn)化為熱能，適用于太陽能熱水器的集熱裝置。本發(fā)明實現(xiàn)了太陽能的高效吸收利用率達到85％～95％。本發(fā)明中使用的納米Si₃N₄顆粒的真實密度是3.44g/cm³,選用納米Si₃N₄顆粒粒徑范圍為20～50nm，本發(fā)明所使用的納米粉末的比表面積是34～87.2m²/g。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的Si₃N₄納米太陽能吸收劑的制備方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的太陽能熱水器示意圖；

圖中：1、水箱保溫層；2、水箱；3、進料口；4、支架；5、導(dǎo)熱水管；6、透明真空玻璃箱。

圖3是本發(fā)明實施例提供的計算的Si₃N₄晶體的吸收譜圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。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，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進一步描述。

如圖1所示：本發(fā)明實施例提供的Si₃N₄納米太陽能吸收劑的制備方法包括以下步驟：

S101：每100g的分散介質(zhì)中加入1g～2g黑色納米Si₃N₄顆粒，并添加按質(zhì)量比為0.4％～0.6％的分散劑，并添加甲酸和氨水作為pH調(diào)節(jié)劑，混合均勻，得到穩(wěn)定的Si₃N₄納米太陽能吸收劑料漿；

S102：將Si₃N₄納米太陽能吸收劑料漿向安裝在太陽能集熱基板上帶有密封進料口的透明真空玻璃箱注入；注入的Si₃N₄納米太陽能吸收劑料漿完全淹沒透明真空玻璃箱內(nèi)部的導(dǎo)熱水管。

本發(fā)明實施例提供的所述Si₃N₄納米太陽能吸收劑由納米粉末、分散劑、分散介質(zhì)和pH調(diào)節(jié)劑組成；

每100g的分散介質(zhì)中加入1g～2g納米粉末，并按質(zhì)量比0.4％～0.6％加入分散劑，添加甲酸和氨水作為pH調(diào)節(jié)劑；

所述納米粉末為黑色納米Si₃N₄顆粒；所述分散劑為聚乙二醇PEG4000；所述分散介質(zhì)為去離子水。

所述pH調(diào)節(jié)劑添加量為5mL～7mL；甲酸和氨水體積比1:1.5～3。

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理進一步的說明。

本發(fā)明的應(yīng)用于太陽能熱水器的方法，其步驟為：

本發(fā)明使用的顆粒當(dāng)做是球形的，其比表面積有兩種：一是重量比表面積，就是單位重量的比表面積；二是體積比表面積，就是單位體積的比表面積。在本發(fā)明中使用的納米Si₃N₄顆粒的真實密度是3.44g/cm³,選用納米Si₃N₄顆粒粒徑范圍為20～50nm，根據(jù)理想顆粒粒徑計算公式d＝6/(ρ·S)的變形公式S＝6/(ρ·d)可以計算出本發(fā)明所使用的納米粉末的比表面積是34～87.2m²/g。因為實際顆粒幾乎都不是球形，所以，算出值與實際的比表面積存在較大差異。

1)料漿配置：分散介質(zhì)為去離子水，用甲酸(純度≥88.0％)和氨水(純度：25％-28％)作為pH調(diào)節(jié)劑(更佳范圍pH＝8～10)，表面活性劑聚乙二醇4000(PEG4000)可作為納米Si₃N₄顆粒在水溶液中分散的分散劑，Si₃N₄粉體的純度大于95wt％。每100g的分散介質(zhì)中加入1～2g納米Si₃N₄粉末，當(dāng)PEG4000的用量為0.4％～0.6％時，PEG4000在納米Si₃N₄的表面形成了有效包覆，產(chǎn)生了空間位阻穩(wěn)定作用，阻礙了顆粒團聚沉降，得到穩(wěn)定的懸浮液。

2)為了進一步說明納米Si₃N₄顆粒由于具有很大比表面積而對太陽光在寬波段有很大的吸收效率，本發(fā)明利用第一性原理計算Si₃N₄晶體的吸收譜，

如圖3所示：在可見光到紅外波段范圍內(nèi)有很強的吸收，從理論上了來說納米Si₃N₄光學(xué)吸收效率更好。

3)按照太陽能集熱基板的尺寸大小，在基板上設(shè)計一個密封的帶有進料口的透明真空玻璃箱體，高度比真空管高出2-5cm左右，進料口設(shè)置在上部側(cè)面靠近水箱的位置，設(shè)置在頂部可以方便加料漿，同時考慮到頂部側(cè)面可以有效防止由于太陽光的照射，而通過進料口的密封塞揮發(fā)納米太陽能吸收劑料漿。

4)由進料口通過進水管注入適量的已經(jīng)配制好的分散穩(wěn)定性好的納米太陽能吸收劑料漿。讓料漿剛好完全淹沒玻璃導(dǎo)熱水管。

圖2所示：本發(fā)明實施例提供的太陽能熱水器，結(jié)構(gòu)主要由水箱2，支架4，進料口3，導(dǎo)熱水管5，透明真空玻璃箱6組成；水箱由水箱保溫層1，進水口，溢水口和內(nèi)膽水箱組成；水箱用于存放用水，通過水管將水引進用戶。支架是用于支撐整個熱水器裝置。進料口3是用于加入納米太陽能吸收料漿的，加入料漿后用防腐蝕的耐溫塞子塞住，設(shè)計在透明真空玻璃箱6的上部靠近側(cè)面位置，可以避免太陽光直接照射而造成納米太陽能吸收劑料漿通過塞子揮發(fā)。導(dǎo)熱水管5是用于盛裝用水，代替了現(xiàn)有技術(shù)中的真空管，導(dǎo)熱效果好，主要用于將漿料吸收熱量傳遞到水管中的用水，進行冷熱水交換，使得管內(nèi)的水的溫度迅速提高。透明真空玻璃箱6是用來裝Si₃N₄納米太陽能吸收料漿的，通過進料口將料漿注入真空玻璃箱中，通過太陽光照射玻璃箱使其轉(zhuǎn)化為箱中納米太陽能吸收劑料漿的熱量。

本發(fā)明是在現(xiàn)有真空管式太陽能熱水器的基礎(chǔ)之上進行方案改進同時又類似于平板式熱水器但又不同于平板太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)。在集熱板上增加真空玻璃箱體，在箱體中加入配置好的分散穩(wěn)定性好的納米太陽能吸收劑料漿，相當(dāng)于太陽光照射到了一個大的連續(xù)的吸收平面上，通過這種改進方式代替了現(xiàn)有技術(shù)中在真空管內(nèi)管表面蒸鍍選擇性吸波材料的方式，填充了兩真空管間的間隙，增大對太陽光的有效吸收面積，利用納米顆粒的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，對太陽輻射吸收率有較大提高，工藝簡單，成本較低。同時因為設(shè)計的玻璃箱體是真空的，隔熱，防凍效果好，有效的防止料漿的熱量損失。

本發(fā)明的納米吸收劑是黑體材料能高效的將太陽能(光)轉(zhuǎn)化為熱能，適用于太陽能熱水器的集熱裝置。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。