專利名稱：真空集熱管以及制造該真空集熱管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于射入太陽光的真空集熱管，其至少具有兩個(gè)彼此同軸排列的管， 這些管形成抽真空的封閉空間，以及制造該真空集熱管的方法。
背景技術(shù)：
真空集熱管應(yīng)當(dāng)盡可能有效地射入光線，轉(zhuǎn)化成熱量，并將產(chǎn)生的熱量導(dǎo)入熱載體介質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，已知不同的解決方案，例如可以進(jìn)一步改善在真空集熱管的吸收器中的光射入。例如DE 298 01 531 Ul描述了一種具有上述特征的雙壁真空集熱管。其是以如下方式設(shè)計(jì)的，內(nèi)管的外壁設(shè)置有選擇性吸收光線的涂層。在此，將熱量從內(nèi)管的外側(cè)上的吸收層傳遞至直接流經(jīng)內(nèi)管的內(nèi)側(cè)的熱載體介質(zhì)。DE 100 33 240 Al描述了一種用于太陽能設(shè)備的真空管，其包含具有部分反射面的抽真空的透明圓柱體，其中將至少一個(gè)吸收管與反射面相對(duì)地設(shè)置在透明圓柱體的中點(diǎn)。此外，還可以在吸收管上設(shè)置至少一個(gè)吸收器凸起部(Absorberfahne)。該排列方式應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)改善的太陽能產(chǎn)率。沒有提及吸收層。在ESTEC節(jié)能技術(shù)有限公司的網(wǎng)站上以及在Optimuzz 71slas S. L0公司的信息頁中描述了在真空凈室的內(nèi)部利用濺射將高度選擇性的吸收涂層施加在玻璃表面上。在管的內(nèi)部，將360°旋轉(zhuǎn)的銅質(zhì)吸收器與壁直接緊鄰地設(shè)置，由此應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)良好地將玻璃的熱量傳遞至吸收器。通過圓形環(huán)繞的吸收器及位于其下方的由高光澤度拋光的鋁制成的鏡面，入射角是獨(dú)立的，由此改善了光射入。已知的用于光射入的解決方案雖然帶來了改善，但僅是以技術(shù)復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)的。最年來，對(duì)于不同材料的納米結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)了其特性及其應(yīng)用可能性。Nano Lett.，Vol. 8，No. 5，2008，1501 1505報(bào)道了在設(shè)置在一個(gè)基底上的晶核層上由溶液在低溫下生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)作為太陽能電池中有效的抗反射層，以改善在結(jié)構(gòu)元件的活性區(qū)域內(nèi)的光射入。在NREL/TP-520-31267，2002 年 7 月，技術(shù)報(bào)告"Review of Mid-to High-Temperature Solar Selective Absorber Materials，，中，描述了在接近黑體的吸收器上的選擇性透射太陽光的涂層，其由高度摻雜的半導(dǎo)體材料如Sn02:F、SnO2:Sb, ^i2SO3 = Sn或SiO:Al形成。此外，還描述了傳統(tǒng)真空管集熱器的吸收涂層通常由三個(gè)不同的功能層組成一個(gè)金屬紅外反射層、一個(gè)吸收太陽光的層及一個(gè)抗反射層。該金屬紅外反射層應(yīng)當(dāng)減少散熱。該抗反射層減少反射損失。將由吸收層吸收的太陽能通過紅外反射金屬層和玻璃導(dǎo)入位于玻璃管中的水中。在Chem. Mater. 2005，17，1001 1006中，采用了一種用于制造ZnO納米管的兩步
方法，其中首先利用ALD (原子層沉積)在任意的基底上沉積均勻的晶核層，隨后在其上在水溶液中生長二維ZnO納米小棒。
Appl. Phys. Lett. 92，161906(2008)描述了一種在 Zn(NO3)2 和 HNO3 的水溶液中利用電沉積以高的內(nèi)部探測(cè)量子效率制造ZnO納米小棒的單步方法?，F(xiàn)在，本發(fā)明的目的是提供另一種真空集熱管，其具有與太陽光的入射角無關(guān)的光射入，其制造過程的復(fù)雜性較低，及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
該目的是通過權(quán)利要求1的特征實(shí)現(xiàn)的。在此，對(duì)于前述類型的真空集熱管，根據(jù)本發(fā)明以吸收光線的方式形成內(nèi)管，及在其上于外部設(shè)置有TCO(透明傳導(dǎo)氧化物)層及在其上設(shè)置有由垂直浮裝的ZnO納米小棒組成的層。該具有TCO層和浮裝的ZnO納米小棒的吸收性內(nèi)管根據(jù)本發(fā)明形成真空管的選擇性吸收器。該選擇性吸收器具有高的吸收性和低的散發(fā)性。用于光射入的由浮裝的ZnO納米小棒組成的系統(tǒng)表現(xiàn)出對(duì)于太陽光的高透射率以及低的整體反射率。太陽光直接射入吸收管中，并將熱量傳遞至位于內(nèi)管中的水。該系統(tǒng)發(fā)揮真空管集熱器的太陽光選擇性吸收元件的作用。通過根據(jù)本發(fā)明的排列方式提供一種解決方案，利用該方案可以復(fù)雜性較低的方式代替上述的層序列金屬紅外反射層、吸收太陽光的層及抗反射層。除了浮裝的ZnO納米小棒的已述的特性，高的透射率以及低的散發(fā)性，位于其下方的TCO層發(fā)揮紅外反射層的作用，并由此減少散發(fā)熱輻射。在本發(fā)明中，太陽光直接射入內(nèi)管中，該內(nèi)管可由吸收太陽光的黑色玻璃或者由薄的黑色塑料管或具有施加的吸收光線的薄層的金屬管形成。特別有利的是，使用黑色玻璃，這是因?yàn)榧訜岬牟ＡХ懦鰺崃恐凉軆?nèi)部中的水。也不需要如同在傳統(tǒng)真空管集熱器中的其他吸收層，這是因?yàn)槲展饩€的內(nèi)管具有高的吸收性并且承擔(dān)光線吸收器的作用。本發(fā)明的實(shí)施方案首先涉及TCO層和ZnO納米小棒。建議于外部施加在內(nèi)管上的TCO層的厚度為40至4，OOOnm。關(guān)于ZnO納米小棒建議其直徑為30至500nm，長度為100至3，OOOnm。其相互之間的距離在納米范圍內(nèi)，尤其是幾十納米至幾百納米。被證明有利的是，ZnO納米小棒以針狀形成，并且末端可以是尖銳的截錐體。在另一個(gè)實(shí)施方案中，在透明的外管上于外部施加有額外的TCO層，以減小從該
真空集熱管散發(fā)熱輻射。在另一個(gè)實(shí)施方案中，通過紅外反射器的作用，在透明的外管上于內(nèi)部施加有額外的TCO層。該TCO層的材料選自FTO、ITO或aiO:金屬，該額外的TCO層的厚度為20至 3，OOOnm。根據(jù)本發(fā)明的真空集熱管具有選擇性吸收器，該選擇性吸收器由內(nèi)管形成，該內(nèi)管涂覆有TCO層并且具有設(shè)置在其上的ZnO納米小棒，該真空集熱管可以用于棒狀及U形的集熱器系統(tǒng)中，并以已知的方式相互連接。在權(quán)利要求11中描述了根據(jù)本發(fā)明用于制造所述真空集熱管的方法。相應(yīng)地，在與透明的外管同軸排列之前，玻璃內(nèi)管首先設(shè)置有TCO層，隨后利用電沉積在其上施加由垂直浮裝的ZnO納米小棒組成的層，其中在標(biāo)準(zhǔn)的三電極反應(yīng)器(Drei-Elektroden-Reaktor)中將Si鹽和摻雜劑的水溶液用于納米結(jié)構(gòu)化的SiO，將該溶液裝入內(nèi)部具有TCO層的管中，并在施加電勢(shì)及調(diào)節(jié)沉積溫度低于90°C的情況下，在位于水溶液中的具有導(dǎo)電的TCO層的管上沉積納米結(jié)構(gòu)化的ZnO材料。在一個(gè)實(shí)施方案中建議使用Si(NO3)2作為Si鹽。該鹽的濃度為1至20mM/l。在另一個(gè)實(shí)施方案中，作為摻雜劑使用HNO3或NH4NO3或NH3,其溶解在水中。在此， 在溶液中Si(NO3)2與HNO3的摩爾比約為100 1，而Si(NO3)2與NH4NO3的摩爾比為1 1 至 130 1。在沉積期間，將相對(duì)于Pt參比電極的電勢(shì)調(diào)節(jié)至-1. 2V與-1. 8V之間的數(shù)值，及將沉積溫度調(diào)節(jié)在60°C與90°C之間，其中保持該溫度歷時(shí)幾分鐘至20小時(shí)的時(shí)間。被證明有利的是，在沉積期間攪拌該溶液。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，可以成本低廉地以電化學(xué)方式在真空集熱管的玻璃內(nèi)管上大面積沉積晶體品質(zhì)高的ZnO納米小棒。該方法還允許根據(jù)工藝參數(shù)改變ZnO納米小棒的形狀、直徑和長度，而不影響其光學(xué)特性?，F(xiàn)在于以下實(shí)施例中更詳細(xì)地闡述本發(fā)明。


圖1 根據(jù)本發(fā)明的排列方式的示意圖；圖2 根據(jù)本發(fā)明的第二排列方式的示意圖；圖3 根據(jù)本發(fā)明的第三排列方式的示意圖。
具體實(shí)施例方式真空集熱管VR原則上至少由兩個(gè)彼此同軸排列的管組成，這些管通常為玻璃管， 它們形成抽真空的封閉空間。在圖1中，內(nèi)管氏由厚度為0.2至3mm的黑色玻璃形成。在該管氏上于外部設(shè)置有厚度為40至4，OOOnm的TCO層TCOi以及由垂直浮裝的ZnO納米小棒NR組成的層。該 ZnO納米小棒的直徑為30至500nm，長度為100至3，OOOnm。外管是透明的，在此例如作為玻璃管形成，并且稱作Ra。具有TCO層TCOi和ZnO納米小棒NR的管氏形成真空管的選擇性吸收器sA。在圖2中，與圖1的區(qū)別在于，在外管Ιζ上于外部以20至3，OOOnm的厚度施加額外的TCO層TCOzl，其應(yīng)當(dāng)減小從該選擇性吸收器SA散發(fā)熱輻射。圖3示意性地顯示了一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施方案，其中在外管Ra上于內(nèi)部又以20至 3，OOOnm的厚度施加額外的TCO層TCOz2。在該實(shí)施方案中，TCO層TCOz2發(fā)揮紅外反射器的作用，其保持集熱器內(nèi)部的熱量。
權(quán)利要求
1.用于射入太陽光的真空集熱管，其至少具有兩個(gè)彼此同軸排列的管，這些管形成抽真空的封閉空間，其特征在于，在內(nèi)管(Ri)上于外部設(shè)置有TCO層(TCOi)以及由垂直浮裝的ZnO納米小棒(NR)組成的層，該具有TCO層(TCOi)和ZnO納米小棒(NR)的管(Ri)形成所述真空集熱管(VR)的選擇性吸收器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的真空集熱管，其特征在于，所述內(nèi)管怳)由黑色玻璃或者由薄的黑色塑料管或具有施加的吸收光線的薄層的金屬管形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的真空集熱管，其特征在于，所述TCO層(TCOi)的厚度為40至 4，OOOnm0
4.根據(jù)權(quán)利要求1的真空集熱管，其特征在于，所述SiO納米小棒(NR)的直徑為30至 500nm,長度為 100 至 3，OOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的真空集熱管，其特征在于，所述ZnO納米小棒(NR)的相互距離在納米范圍內(nèi)，尤其是幾十納米至幾百納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的真空集熱管，其特征在于，所述SiO納米小棒(NR)以針狀形成，并且末端是尖銳的截錐體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的真空集熱管，其特征在于，外管(Ra)是透明的，在所述外管上于外部施加有額外的TCO層(TCOzl)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的真空集熱管，其特征在于，外管(Ra)是透明的，在所述外管上于內(nèi)部施加有額外的TCO層(TCOz2)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1和/或7或8的真空集熱管，其特征在于，所述TCO層(TCOzl，TCOz2) 的材料選自FTO、ITO或ZnO 金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的真空集熱管，其特征在于，所述額外的TCO層(TC0zl，TC0z2) 的厚度為20至3，OOOnm。
11.用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的真空集熱管的方法，該方法至少包括以下方法步驟同軸排列兩個(gè)具有不同直徑的管，封閉這些管及對(duì)形成的中間空間抽真空，其特征在于，在與透明的外管同軸排列之前，吸收光線的內(nèi)管首先設(shè)置有TCO層，隨后利用電沉積在其上施加由垂直浮裝的SiO納米小棒組成的層，其中在標(biāo)準(zhǔn)的三電極反應(yīng)器中將Si鹽和摻雜劑的水溶液用于納米結(jié)構(gòu)化的aiO，將該溶液裝入內(nèi)部具有TCO層的管中，并在施加電勢(shì)及調(diào)節(jié)沉積溫度低于90°c的情況下，在位于水溶液中的具有導(dǎo)電的TCO層的管上沉積納米結(jié)構(gòu)化的ZnO材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，使用由黑色玻璃或者由薄的黑色塑料管或具有施加的吸收光線的薄層的金屬管形成的管作為所述吸收光線的內(nèi)管。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，使用Zn(NO3)2作為所述Si鹽。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于，Zn(NO3)2以1至20mM/l的濃度使用。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，作為所述摻雜劑使用HNO3或NH4NO3或NH3, 其溶解在水中。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15之一的方法，其特征在于，使用Si(NO3)2與HNO3的摩爾比約為100 1的溶液。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至15之一的方法，其特征在于，使用Si(NO3)2與NH4NO3的摩爾比為1 1至130 1的溶液。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，將相對(duì)于Pt參比電極的電勢(shì)調(diào)節(jié)至-1.2V 與-1.8V之間的數(shù)值。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，將沉積溫度調(diào)節(jié)在60°C與90°C之間，并保持該溫度歷時(shí)幾分鐘至20小時(shí)的時(shí)間。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，在沉積期間攪拌所述溶液。
全文摘要
為了改善光線射入提供一種真空集熱管，其至少具有兩個(gè)彼此同軸排列的管，這些管形成抽真空的封閉空間，在內(nèi)管上于外部設(shè)置有TCO層及在其上設(shè)置有由垂直浮裝的ZnO納米小棒組成的層，該具有TCO層和ZnO納米小棒的內(nèi)管形成所述真空集熱管的選擇性吸收器。利用電沉積在以已知方式施加的TCO層上沉積ZnO納米小棒。
文檔編號(hào)C25D9/08GK102439378SQ201080021210
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者L·埃, M·C·盧克斯-施泰納, 湯洋, 陳頡 申請(qǐng)人:赫姆霍茨中心柏林材料與能源有限公司