技术摘要：
本发明公开了一种风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法，所述风光互补式石墨烯集热装置具备：真空集热管、太阳能电池背板、风力发电机、蓄电池、逆变器、温度传感器、控制电路、保温水箱、支架，其中所述真空集热管包括以下制备步骤：首先在水或溶剂中配制一定浓度的 全部
背景技术：
在热水洗浴、冬季采暖和热烘干等多种领域都需要大量的加热能量，而不断地开 发利用绿色环保的新能源是人类社会经济可持续发展的要求。风能和太阳能是自然界赋予 人类的取之不断、用之不完的绿色再生能源的一种。目前，对于太阳能的开发利用主要包括 光热利用、光电利用和光化学利用等三种。为了最大限度地利用太阳能，人们研制了各种太 阳能电池和槽式太阳能集热装置，如平板槽式太阳能集热装置和真空管槽式太阳能集热装 置等。但这些装置，都是功能单一，在使用过程中还存在着光的能流密度低、光能转换效率 不高、具有间歇性和不稳定性等问题。尤其对于太阳能热水器的集热装置来讲，在使用过程 中会受到昼夜，季节等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等天气因还素的影响，而且当用户 用水量大或热量需求较高时，传统集热装置可能远不能满足用户的需求。如果在这种情况 下用电加热或用煤、油以及气等化石燃料的燃烧来加热或采暖供热，不仅成本高，能源浪费 还多，而且还可能导致环境污染等问题。另外，在寒冷的冬天，由于温度过低而导致集热管 冻坏的现象也较多，这就等于缩短了集热管的使用寿命。 风能是一种清洁、可再生能源之一，我国风力资源相当丰富，人们对于风能的利用 主要集中在利用风能进行发电。风力发电系统是利用风能将机械能转化为电能的装置，风 力发电机组按形式分可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。风能作为一种无污 染的可再生新能源，有着巨大的发展潜力，特别是对于地广人稀的草原地区以及沿海地区， 有着重要意义。而在阴天或者冬天的时候，一般风较大，如果可以把风能转化为电能或热 能，用来辅助太阳能集热装置加热或供热，不仅提高再生能源的利用率，而且还节能环保、 能够避免集热管的冻坏。譬如，当太阳光充足或用户热量需求较小时，将风力发电机和太阳 能光伏电池发的电能储存在蓄电池中，而当天气不好或用户热量需求较大的时候利用风力 发电机和太阳能光伏电池发的电来直接对集热管进行电加热或者利用提前在蓄电池里储 存的电来进行加热，这样就不仅能满足用户多项需要，避免集热管的冻坏，而且还能达到节 能环保的效果。而，如何才能把传统的太阳能集热装置兼备风、光双加热功能是解决上述问 题的关键。 石墨烯具有非常高的导电性能和导热性能，其电阻率为2×10-6Ω.cm，电子迁移率 可达2×105cm2/V.S，在室温下水平热导率约为5×103W/m.K，而且还具备高的热稳定性、化 学稳定性以及优异的抗渗透性和抗磨性能。另外，一定厚度的石墨烯膜具有非常高的光吸 收功能，对于各种波段的电磁波吸收率接近100％，可认为吸收所有波段的阳光。因此，近年 在力学、电子学、光学、热学以及新能源等各领域中都拥有了广泛的应用，尤其在发热装置 和太阳能集热装置中具有非常大的应用前景。 据报道，石墨烯在较低的电压下也能快速产生热量，而且具有加热面积大，加热均 4 CN 111578541 A 说 明 书 2/11 页 匀，使用轻便、不易氧化、使用寿命长等特点，因此在保健护理，采暖等低温发热产品中已经 开始应用。而，到目前为止能够具备同时利用光能和风能来加热功能的风光互补式石墨烯 集热装置的报道还极少。
技术实现要素：
本发明目的在于，针对现有技术中所存在的问题，公开一种结构简单、节能环保、 成本低兼、使用寿命长的风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法。 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种风光互补式石墨烯集热装置，包括：真空集热管、太阳能电池背板、风力发电 机、蓄电池、逆变器、温度传感器、控制电路、保温水箱、支架，所述真空集热管由一端开口另 一端封闭的外玻璃管、内玻璃管和保温性橡胶塞子构成，所述内玻璃管经过位于所述外玻 璃管开口端的所述橡胶塞子套装于所述外玻璃管中，所述内玻璃管和所述外玻璃管之间为 真空，所述真空集热管的开口端与所属保温水箱相互联通，而且在所述保温水箱中设置有 所述温度传感器，所述支架支撑着所述真空集热管、所述保温水箱和所述太阳能电池背板 等，其特征在于，在所述内玻璃管外表面上设有第一条状金属箔电极和第二条状金属箔电 极，其一端分别与在所述保温橡胶塞子上的两个外接电极连接，另一端在所述内玻璃管外 侧表面上轴对称地延伸到所述内玻璃管上的相对面的一端或者分别在所述内玻璃管两端 的外侧表面上围绕一圈；在所述内玻璃管外表面上还涂有一层兼备电加热功能和光热转换 功能的石墨烯加热膜，膜厚为1～20μm，并且覆盖于所述第一条状金属箔电极和所述第二条 状金属箔电极外表面上；在所述控制电路的控制下，当所述保温水箱内部温度低于设定温 度时，上述外接电极经所述逆变器与上述蓄电池电连接，或者直接与所述太阳能电池背板 和所述风力发电机电连接，并且对集热管进行电加热；而所述保温水箱内部温度高于设定 温度时，所述外接电极与上述蓄电池、所述太阳能电池背板和所述风力发电机断开电连接， 而且所述太阳能电池背板和所述风力发电机对上述蓄电池进行充电储能。 一种上述风光互补式石墨烯集热装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)在水或有机溶剂中配制浓度为1～20mg/ml的PVP溶液，加入十二烷基苯磺酸钠，使 得其浓度达到2～6mg/ml，再加入蠕虫膨胀石墨粉超声2～5h得到浓度为5～20mg/ml的石墨 烯浆料，然后，再加入填加剂搅拌0.5～1h，获得均匀分散的石墨烯涂料； (2)采用金属箔胶带，在所述内玻璃管外表面上布好所述第一条状金属箔电极和所述 第二条状金属箔电极； (3)采用上述步骤(1)中制备的所述石墨烯涂料，在所述内玻璃管外表面和已布好的所 述第一条状金属箔电极和所述第二条状金属箔电极外表面上形成一层石墨烯加热膜，等它 自然晾干之后，将所述第一条状金属箔电极和所述第二条状金属箔电极的一端分别与所述 保温橡胶塞子上的所述两个外接电极焊接，并且抽真空封装，获得所述风光互补式石墨烯 太阳能集热装置的所述真空集热管； (4)在所述支架上安装所述太阳能电池背板，然后，将所述真空集热管并排安装于所述 太阳能电池背板上面的空格处，使得所述真空集热管的开口端与其上面的所述保温水箱相 互联通； (5)最后，安装电路就可以得到所述风光互补式石墨烯集热装置。 5 CN 111578541 A 说 明 书 3/11 页 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置的制备方法，其特征在于：所述有机溶 剂是乙醇、四氢呋喃、乙酸乙酯、NMP、DMF、乙二醇、二甲基乙酰胺之中的任意一种或几种。 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置的制备方法，其特征在于：所述填加剂 为金纳米颗粒、银纳米颗粒、三氧化四铁、二氧化锰、氧化铜、导电炭黑、碳纳米管中的任意 一种或几种。 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置的制备方法，其特征在于：所述填加剂 与石墨烯的重量比为1～2∶5。 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法，其特征在于：所述第一 条状金属箔电极和所述第二条状金属箔电极是由银、铜、铝中的任意一种或几种组成的。 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法，其特征在于：所述控制 电路与所述保温水箱中的所属温度传感器及电源连接，而且能够自动控制所述风光互补式 石墨烯太阳能集热装置的蓄电和储热。 本发明的技术效果 根据本发明的技术方案，能够提供一种节能环保、热转换率高、不分季节，而且能 够在阴天或晚上也能集热的风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法。该风光互补式石墨 烯太阳能集热装置，不仅能够利用太阳能热吸收来加热，而且还能利用风能和光伏发电来 加热，因此光能热转换效率更高，加热速度更快，使用寿命长，是个绿色环保的新型产品。对 于广大的农村牧区、偏僻的山区以及独立的别墅区能够提供洗澡热水的同时还可以在寒冷 的冬天给用户供热采暖和供电照明，所以具有非常大的产业化和市场前景。
本发明公开了一种风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法，所述风光互补式石墨烯集热装置具备：真空集热管、太阳能电池背板、风力发电机、蓄电池、逆变器、温度传感器、控制电路、保温水箱、支架，其中所述真空集热管包括以下制备步骤：首先在水或溶剂中配制一定浓度的 全部
背景技术：
在热水洗浴、冬季采暖和热烘干等多种领域都需要大量的加热能量，而不断地开 发利用绿色环保的新能源是人类社会经济可持续发展的要求。风能和太阳能是自然界赋予 人类的取之不断、用之不完的绿色再生能源的一种。目前，对于太阳能的开发利用主要包括 光热利用、光电利用和光化学利用等三种。为了最大限度地利用太阳能，人们研制了各种太 阳能电池和槽式太阳能集热装置，如平板槽式太阳能集热装置和真空管槽式太阳能集热装 置等。但这些装置，都是功能单一，在使用过程中还存在着光的能流密度低、光能转换效率 不高、具有间歇性和不稳定性等问题。尤其对于太阳能热水器的集热装置来讲，在使用过程 中会受到昼夜，季节等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等天气因还素的影响，而且当用户 用水量大或热量需求较高时，传统集热装置可能远不能满足用户的需求。如果在这种情况 下用电加热或用煤、油以及气等化石燃料的燃烧来加热或采暖供热，不仅成本高，能源浪费 还多，而且还可能导致环境污染等问题。另外，在寒冷的冬天，由于温度过低而导致集热管 冻坏的现象也较多，这就等于缩短了集热管的使用寿命。 风能是一种清洁、可再生能源之一，我国风力资源相当丰富，人们对于风能的利用 主要集中在利用风能进行发电。风力发电系统是利用风能将机械能转化为电能的装置，风 力发电机组按形式分可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。风能作为一种无污 染的可再生新能源，有着巨大的发展潜力，特别是对于地广人稀的草原地区以及沿海地区， 有着重要意义。而在阴天或者冬天的时候，一般风较大，如果可以把风能转化为电能或热 能，用来辅助太阳能集热装置加热或供热，不仅提高再生能源的利用率，而且还节能环保、 能够避免集热管的冻坏。譬如，当太阳光充足或用户热量需求较小时，将风力发电机和太阳 能光伏电池发的电能储存在蓄电池中，而当天气不好或用户热量需求较大的时候利用风力 发电机和太阳能光伏电池发的电来直接对集热管进行电加热或者利用提前在蓄电池里储 存的电来进行加热，这样就不仅能满足用户多项需要，避免集热管的冻坏，而且还能达到节 能环保的效果。而，如何才能把传统的太阳能集热装置兼备风、光双加热功能是解决上述问 题的关键。 石墨烯具有非常高的导电性能和导热性能，其电阻率为2×10-6Ω.cm，电子迁移率 可达2×105cm2/V.S，在室温下水平热导率约为5×103W/m.K，而且还具备高的热稳定性、化 学稳定性以及优异的抗渗透性和抗磨性能。另外，一定厚度的石墨烯膜具有非常高的光吸 收功能，对于各种波段的电磁波吸收率接近100％，可认为吸收所有波段的阳光。因此，近年 在力学、电子学、光学、热学以及新能源等各领域中都拥有了广泛的应用，尤其在发热装置 和太阳能集热装置中具有非常大的应用前景。 据报道，石墨烯在较低的电压下也能快速产生热量，而且具有加热面积大，加热均 4 CN 111578541 A 说 明 书 2/11 页 匀，使用轻便、不易氧化、使用寿命长等特点，因此在保健护理，采暖等低温发热产品中已经 开始应用。而，到目前为止能够具备同时利用光能和风能来加热功能的风光互补式石墨烯 集热装置的报道还极少。
技术实现要素：
本发明目的在于，针对现有技术中所存在的问题，公开一种结构简单、节能环保、 成本低兼、使用寿命长的风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法。 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种风光互补式石墨烯集热装置，包括：真空集热管、太阳能电池背板、风力发电 机、蓄电池、逆变器、温度传感器、控制电路、保温水箱、支架，所述真空集热管由一端开口另 一端封闭的外玻璃管、内玻璃管和保温性橡胶塞子构成，所述内玻璃管经过位于所述外玻 璃管开口端的所述橡胶塞子套装于所述外玻璃管中，所述内玻璃管和所述外玻璃管之间为 真空，所述真空集热管的开口端与所属保温水箱相互联通，而且在所述保温水箱中设置有 所述温度传感器，所述支架支撑着所述真空集热管、所述保温水箱和所述太阳能电池背板 等，其特征在于，在所述内玻璃管外表面上设有第一条状金属箔电极和第二条状金属箔电 极，其一端分别与在所述保温橡胶塞子上的两个外接电极连接，另一端在所述内玻璃管外 侧表面上轴对称地延伸到所述内玻璃管上的相对面的一端或者分别在所述内玻璃管两端 的外侧表面上围绕一圈；在所述内玻璃管外表面上还涂有一层兼备电加热功能和光热转换 功能的石墨烯加热膜，膜厚为1～20μm，并且覆盖于所述第一条状金属箔电极和所述第二条 状金属箔电极外表面上；在所述控制电路的控制下，当所述保温水箱内部温度低于设定温 度时，上述外接电极经所述逆变器与上述蓄电池电连接，或者直接与所述太阳能电池背板 和所述风力发电机电连接，并且对集热管进行电加热；而所述保温水箱内部温度高于设定 温度时，所述外接电极与上述蓄电池、所述太阳能电池背板和所述风力发电机断开电连接， 而且所述太阳能电池背板和所述风力发电机对上述蓄电池进行充电储能。 一种上述风光互补式石墨烯集热装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)在水或有机溶剂中配制浓度为1～20mg/ml的PVP溶液，加入十二烷基苯磺酸钠，使 得其浓度达到2～6mg/ml，再加入蠕虫膨胀石墨粉超声2～5h得到浓度为5～20mg/ml的石墨 烯浆料，然后，再加入填加剂搅拌0.5～1h，获得均匀分散的石墨烯涂料； (2)采用金属箔胶带，在所述内玻璃管外表面上布好所述第一条状金属箔电极和所述 第二条状金属箔电极； (3)采用上述步骤(1)中制备的所述石墨烯涂料，在所述内玻璃管外表面和已布好的所 述第一条状金属箔电极和所述第二条状金属箔电极外表面上形成一层石墨烯加热膜，等它 自然晾干之后，将所述第一条状金属箔电极和所述第二条状金属箔电极的一端分别与所述 保温橡胶塞子上的所述两个外接电极焊接，并且抽真空封装，获得所述风光互补式石墨烯 太阳能集热装置的所述真空集热管； (4)在所述支架上安装所述太阳能电池背板，然后，将所述真空集热管并排安装于所述 太阳能电池背板上面的空格处，使得所述真空集热管的开口端与其上面的所述保温水箱相 互联通； (5)最后，安装电路就可以得到所述风光互补式石墨烯集热装置。 5 CN 111578541 A 说 明 书 3/11 页 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置的制备方法，其特征在于：所述有机溶 剂是乙醇、四氢呋喃、乙酸乙酯、NMP、DMF、乙二醇、二甲基乙酰胺之中的任意一种或几种。 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置的制备方法，其特征在于：所述填加剂 为金纳米颗粒、银纳米颗粒、三氧化四铁、二氧化锰、氧化铜、导电炭黑、碳纳米管中的任意 一种或几种。 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置的制备方法，其特征在于：所述填加剂 与石墨烯的重量比为1～2∶5。 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法，其特征在于：所述第一 条状金属箔电极和所述第二条状金属箔电极是由银、铜、铝中的任意一种或几种组成的。 根据本发明的风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法，其特征在于：所述控制 电路与所述保温水箱中的所属温度传感器及电源连接，而且能够自动控制所述风光互补式 石墨烯太阳能集热装置的蓄电和储热。 本发明的技术效果 根据本发明的技术方案，能够提供一种节能环保、热转换率高、不分季节，而且能 够在阴天或晚上也能集热的风光互补式石墨烯集热装置及其制备方法。该风光互补式石墨 烯太阳能集热装置，不仅能够利用太阳能热吸收来加热，而且还能利用风能和光伏发电来 加热，因此光能热转换效率更高，加热速度更快，使用寿命长，是个绿色环保的新型产品。对 于广大的农村牧区、偏僻的山区以及独立的别墅区能够提供洗澡热水的同时还可以在寒冷 的冬天给用户供热采暖和供电照明，所以具有非常大的产业化和市场前景。
