太阳能光热转换材料种类介绍

太阳能光热转换材料是最重要的太阳能材料。光热利用领域的材料按用途可分为蓄热材料、导热材料、热电材料、集热材料等
蓄热材料
蓄热材料主要包括相变储热材料、显热储热材料等。利用相变材料的固-液或固-固相变潜热来储存热能的潜热蓄热技术,因具有蓄热密度大、储热过程近似等温、过程易控制等优点而成为目前最具实际发展潜力、应用最多和最重要的蓄热方式。许多物质作为潜在的相变储热材料(PCM)已经被研究过,但只有部分物质实现了工业化生产,其中制冷与低温范围的技术与产品相对比较成熟,很多已实现商品化。法国Cristopia、澳大利亚TEAP、日本三菱化学(Mitsubishichemical)、瑞典Climator、美国陶氏化学(Dow chemical)、德国Rubitherm GmbH与MerckKgaA等公司生产的PCM产品类型主要是盐溶液、水合盐、石蜡类和脂肪酸类,其熔点为- 33～ 110℃。典型的有机类相变材料有石蜡、脂酸类、高分子化合物等。显热储能通过物质的温度变化来储存热能,储热介质必须具有较大的比热容。可作为储热介质的固态物质有岩石、砂、金属、水泥和砖等,液态物质则包括水、导热油以及融熔盐。与液态储热材料相比,固态储热材料具有两个特点:①更大的热能储存温度范围,可以从室温至1000℃以上的高温段;②不产生介质泄漏,对容器材料的要求低。这几年主要研究的热存储材料有二醇二硬脂酸盐(Diol-di-stearates)、十水合硫酸钠(Na2SO4·10H2O)、聚乙二醇4,4二苯基甲烷二异氰酸盐/季戊四醇共聚物(PEG/MDI/PE copolymer)、铝镁锌合金(Al-34%Mg-6%Zn)、高密度聚乙烯/石蜡混合物等。
导热材料
在太阳能热利用方面,大多数分散的集热器与蓄热器之间的距离相对较远,因此导热系统仍是不可或缺的。导热材料主要有导热流材料和导热流管道材料,另外蓄热材料在液相或气相状态下也可作为导热流材料。国际研究倾向于在蓄热和导热过程中采用相同的材料,以降低热交换系统的复杂程度,从而达到降低系统成本的目的。未来的重点是新型热传导媒质的研发如离子流体,以及新型热循环管道材料如金属化塑胶管等。
热电材料
热电材料(又称温差电材料)是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料,其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子或空穴激发特征,当热电材料两端存在温差时,材料两端电子或空穴激发数量的差异将形成电势差(电压)。热电材料主要分为半导体金属合金型热电材料、方钴矿型热电材料、金属硅化物型热电材料、氧化物型热电材料4种。2007年日本在氧化物热电材料的研究中走在世界前列。目前,已经商业应用的热电材料有PbTe(工作温度为230～ 530℃,主要用于发电)、Bi2Te3/Sb2Te(工作温度为室温～ 130℃,主要用于小规模发电以及制冷)、SiGe(工作温度高于530℃,主要用于外太空发电)。
集热材料
太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。太阳辐射波长主要分布在0.25～ 2.5μm范围内。从光热效应来讲,太阳光谱中的红外波段直接产生热效应,而绝大部分光不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热,主要是衣服和皮肤吸收太阳光线,从而产生光热转换的缘故。从物理角度来讲,黑色意味着光线几乎全部被吸收,吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换,似乎用黑色的涂层材料就可满足了,但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知,黑体辐射的波长范围在2～ 100μm之间,黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关,辐射强度的峰值对应的波长在10μm附近[3]。由此可见,太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠,因此要实现最佳的太阳能热转换,所采用的材料必须满足以下两个条件:
①在太阳光谱内吸收光线程度高,即有尽量高的吸收率α;
②在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失,即有尽可能低的发射率γ。一般来说,对同一波长而言,材料的吸收率和发射率有同样的数值,即吸收率高则相应的发射率也高。但吸收率α与反射率γ及透射率t满足如下关系:α+γ+ t= 1。对于不透明材料由于t= 0,则α+γ= 1。而对于黑色物体来说,γ= 0,则α= 1。根据以上讨论可知,最有效的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内,即λ< 2.5μm,有α≈ 1(即γ≈ 0);而在λ> 2μm,即热辐射波长范围内,有ε= 0(即γ≈ 1或α≈ 0),一般将具备这一特性的涂层材料称为选择性吸收材料。如不完全满足以上条件,在热辐射波长范围内ε值较大,尽管太阳光谱α≈ 1,仍有很大的热辐射损失,这类材料通常称为非选择性涂层材料。所有选择性吸收涂层的构造基本上分为两个部分:红外反射底层(铜、铝等高红外反射比金属)和太阳光谱吸收层(金属化合物或金属复合材料)。吸收涂层在太阳光波峰值波长(0.5μm)附近产生强烈的吸收,在红外波段则自由透过,并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。在聚光方面,由于日光波长覆盖范围大,聚焦用的反射镜或折射镜的高反射率或高透射率波长应覆盖300～ 2500nm,因而镜面采用新型的纳米涂层,从室内保温涂层到太阳镜上的防反涂层等,这些技术将集热器的效率提高了近5%。从最近众多的纳米技术的研究成果来看,玻璃涂层将获得更加长足的发展。
预计涂层未来的研发方向主要有以下几个方面:
①超长的户外寿命(抗风、防灰尘吸附等);
②高太阳光反射率(反射波长覆盖300～ 2500nm);
③良好的抗机械应力特性,以适应对反射镜面的定期清洗;
④耐腐蚀性(< 0.15%,与镀银镜面耐腐蚀性相当)。
在吸热方面,太阳能一次吸热(指直接从阳光获取热能)材料主要有金属、塑料、玻璃等,但实际使用的几乎全是金属。按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料、溴化锂、氯化锂、硫化钠、硅胶、水等,国内外使用得比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。