太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料是最重要的太陽(yáng)能材料。光熱利用領(lǐng)域的材料按用途可分為蓄熱材料、導(dǎo)熱材料、熱電材料、集熱材料等
蓄熱材料
蓄熱材料主要包括相變儲(chǔ)熱材料、顯熱儲(chǔ)熱材料等。利用相變材料的固-液或固-固相變潛熱來(lái)儲(chǔ)存熱能的潛熱蓄熱技術(shù),因具有蓄熱密度大、儲(chǔ)熱過(guò)程近似等溫、過(guò)程易控制等優(yōu)點(diǎn)而成為目前最具實(shí)際發(fā)展?jié)摿?、?yīng)用最多和最重要的蓄熱方式。許多物質(zhì)作為潛在的相變儲(chǔ)熱材料(PCM)已經(jīng)被研究過(guò),但只有部分物質(zhì)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn),其中制冷與低溫范圍的技術(shù)與產(chǎn)品相對(duì)比較成熟,很多已實(shí)現(xiàn)商品化。法國(guó)Cristopia、澳大利亞TEAP、日本三菱化學(xué)(Mitsubishichemical)、瑞典Climator、美國(guó)陶氏化學(xué)(Dow chemical)、德國(guó)Rubitherm GmbH與MerckKgaA等公司生產(chǎn)的PCM產(chǎn)品類(lèi)型主要是鹽溶液、水合鹽、石蠟類(lèi)和脂肪酸類(lèi),其熔點(diǎn)為- 33～ 110℃。典型的有機(jī)類(lèi)相變材料有石蠟、脂酸類(lèi)、高分子化合物等。顯熱儲(chǔ)能通過(guò)物質(zhì)的溫度變化來(lái)儲(chǔ)存熱能,儲(chǔ)熱介質(zhì)必須具有較大的比熱容?？勺鳛閮?chǔ)熱介質(zhì)的固態(tài)物質(zhì)有巖石、砂、金屬、水泥和磚等,液態(tài)物質(zhì)則包括水、導(dǎo)熱油以及融熔鹽。與液態(tài)儲(chǔ)熱材料相比,固態(tài)儲(chǔ)熱材料具有兩個(gè)特點(diǎn):①更大的熱能儲(chǔ)存溫度范圍,可以從室溫至1000℃以上的高溫段;②不產(chǎn)生介質(zhì)泄漏,對(duì)容器材料的要求低。這幾年主要研究的熱存儲(chǔ)材料有二醇二硬脂酸鹽(Diol-di-stearates)、十水合硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、聚乙二醇4,4二苯基甲烷二異氰酸鹽/季戊四醇共聚物(PEG/MDI/PE copolymer)、鋁鎂鋅合金(Al-34%Mg-6%Zn)、高密度聚乙烯/石蠟混合物等。
導(dǎo)熱材料
在太陽(yáng)能熱利用方面,大多數(shù)分散的集熱器與蓄熱器之間的距離相對(duì)較遠(yuǎn),因此導(dǎo)熱系統(tǒng)仍是不可或缺的。導(dǎo)熱材料主要有導(dǎo)熱流材料和導(dǎo)熱流管道材料,另外蓄熱材料在液相或氣相狀態(tài)下也可作為導(dǎo)熱流材料。國(guó)際研究?jī)A向于在蓄熱和導(dǎo)熱過(guò)程中采用相同的材料,以降低熱交換系統(tǒng)的復(fù)雜程度,從而達(dá)到降低系統(tǒng)成本的目的。未來(lái)的重點(diǎn)是新型熱傳導(dǎo)媒質(zhì)的研發(fā)如離子流體,以及新型熱循環(huán)管道材料如金屬化塑膠管等。
熱電材料
熱電材料(又稱(chēng)溫差電材料)是一種利用固體內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接相互轉(zhuǎn)化的功能材料,其工作原理是固體在不同溫度下具有不同的電子或空穴激發(fā)特征,當(dāng)熱電材料兩端存在溫差時(shí),材料兩端電子或空穴激發(fā)數(shù)量的差異將形成電勢(shì)差(電壓)。熱電材料主要分為半導(dǎo)體金屬合金型熱電材料、方鈷礦型熱電材料、金屬硅化物型熱電材料、氧化物型熱電材料4種。2007年日本在氧化物熱電材料的研究中走在世界前列。目前,已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用的熱電材料有PbTe(工作溫度為230～ 530℃,主要用于發(fā)電)、Bi2Te3/Sb2Te(工作溫度為室溫～ 130℃,主要用于小規(guī)模發(fā)電以及制冷)、SiGe(工作溫度高于530℃,主要用于外太空發(fā)電)。
集熱材料
太陽(yáng)主要以電磁輻射的形式給地球帶來(lái)光與熱。太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)主要分布在0.25～ 2.5μm范圍內(nèi)。從光熱效應(yīng)來(lái)講,太陽(yáng)光譜中的紅外波段直接產(chǎn)生熱效應(yīng),而絕大部分光不能直接產(chǎn)生熱量。我們感覺(jué)在強(qiáng)烈的陽(yáng)光下的溫暖和炎熱,主要是衣服和皮膚吸收太陽(yáng)光線,從而產(chǎn)生光熱轉(zhuǎn)換的緣故。從物理角度來(lái)講,黑色意味著光線幾乎全部被吸收,吸收的光能即轉(zhuǎn)化為熱能。因此為了最大限度地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換,似乎用黑色的涂層材料就可滿(mǎn)足了,但實(shí)際情況并非如此。這主要是材料本身還有一個(gè)熱輻射問(wèn)題。從量子物理的理論可知,黑體輻射的波長(zhǎng)范圍在2～ 100μm之間,黑體輻射的強(qiáng)度分布只與溫度和波長(zhǎng)有關(guān),輻射強(qiáng)度的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在10μm附近[3]。由此可見(jiàn),太陽(yáng)光譜的波長(zhǎng)分布范圍基本上與熱輻射不重疊,因此要實(shí)現(xiàn)最佳的太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換,所采用的材料必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件:
①在太陽(yáng)光譜內(nèi)吸收光線程度高,即有盡量高的吸收率α;
②在熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)有盡可能低的輻射損失,即有盡可能低的發(fā)射率γ。一般來(lái)說(shuō),對(duì)同一波長(zhǎng)而言,材料的吸收率和發(fā)射率有同樣的數(shù)值,即吸收率高則相應(yīng)的發(fā)射率也高。但吸收率α與反射率γ及透射率t滿(mǎn)足如下關(guān)系:α+γ+ t= 1。對(duì)于不透明材料由于t= 0,則α+γ= 1。而對(duì)于黑色物體來(lái)說(shuō),γ= 0,則α= 1。根據(jù)以上討論可知,最有效的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料是在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi),即λ< 2.5μm,有α≈ 1(即γ≈ 0);而在λ> 2μm,即熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi),有ε= 0(即γ≈ 1或α≈ 0),一般將具備這一特性的涂層材料稱(chēng)為選擇性吸收材料。如不完全滿(mǎn)足以上條件,在熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)ε值較大,盡管太陽(yáng)光譜α≈ 1,仍有很大的熱輻射損失,這類(lèi)材料通常稱(chēng)為非選擇性涂層材料。所有選擇性吸收涂層的構(gòu)造基本上分為兩個(gè)部分:紅外反射底層(銅、鋁等高紅外反射比金屬)和太陽(yáng)光譜吸收層(金屬化合物或金屬?gòu)?fù)合材料)。吸收涂層在太陽(yáng)光波峰值波長(zhǎng)(0.5μm)附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收,在紅外波段則自由透過(guò),并借助于底層的高紅外反射特性構(gòu)成選擇性涂層。在聚光方面,由于日光波長(zhǎng)覆蓋范圍大,聚焦用的反射鏡或折射鏡的高反射率或高透射率波長(zhǎng)應(yīng)覆蓋300～ 2500nm,因而鏡面采用新型的納米涂層,從室內(nèi)保溫涂層到太陽(yáng)鏡上的防反涂層等,這些技術(shù)將集熱器的效率提高了近5%。從最近眾多的納米技術(shù)的研究成果來(lái)看,玻璃涂層將獲得更加長(zhǎng)足的發(fā)展。
預(yù)計(jì)涂層未來(lái)的研發(fā)方向主要有以下幾個(gè)方面:
①超長(zhǎng)的戶(hù)外壽命(抗風(fēng)、防灰塵吸附等);
②高太陽(yáng)光反射率(反射波長(zhǎng)覆蓋300～ 2500nm);
③良好的抗機(jī)械應(yīng)力特性,以適應(yīng)對(duì)反射鏡面的定期清洗;
④耐腐蝕性(< 0.15%,與鍍銀鏡面耐腐蝕性相當(dāng))。
在吸熱方面,太陽(yáng)能一次吸熱(指直接從陽(yáng)光獲取熱能)材料主要有金屬、塑料、玻璃等,但實(shí)際使用的幾乎全是金屬。按吸熱板芯材料劃分有鋼板鐵管、全銅、全鋁、銅鋁復(fù)合、不銹鋼、塑料、溴化鋰、氯化鋰、硫化鈉、硅膠、水等,國(guó)內(nèi)外使用得比較普遍的是全銅集熱器和銅鋁復(fù)合集熱器。