太阳能光热应用无疑是人类利用太阳能最简单、最直接的有效途径。然而由于太阳光到达地球后能量密度较小而又不连续,给大规模开发利用带来困难。这就要求人们想办法尽量把低品位的太阳能转换成高品位的热能,对太阳能起到富集作用,以便最大限度地加以利用。在一系列众所周知的光热应用技术中,选择性吸收涂层技术是其中的核心技术,对于提高太阳能的热转换效率,大规模推广太阳能光热应用起着至关重要的作用。
首先它必须是一种复合材料,即由太阳光辐射的吸收和红外光谱的反射两部分材料组成。辐射的吸收是指辐射通过物质时,其中某些频率的辐射被组成物质的粒子(原子、离子或分子等)选择性地吸收,从而使辐射强度减弱的现象。其吸收的实质,在于吸收使物质粒子发生由低能级(一般为基态)向高能级(激发态)的跃迁。在太阳光谱区,波长在0.3~2.5μm的太阳辐射强度最大,因此对该光谱区的光量子吸收是关键。所以材质中只有存在与波长0.3~2.5μm光子的能量相对应的能级跃迁,才具有好的选择吸收性。
一般来说,金属、金属氧化物、金属硫化物和半导体等发色体粒子的电子跃迁能级与可见光谱区的光子能量较为匹配,是制备太阳能选择性涂层吸收层的主要材料,如黑铬(CrxO )、黑镍(NiS-ZnS)、氧化铜黑(CuO )和氧化铁(FeO )等。而作为吸收材料基材的红外反射层一般采用红外反射率较高的材料,如铜、铝等金属,以获得较低的红外发射率,达到减少自身辐射热损的目的。
选择性吸收涂层有各种不同的分类方法。通常可按吸收原理和涂层构造不同进行分类,如本征半导体型、干涉型、渐变型等。为了介绍方便,本文按涂层技术发展过程中制备方法的不同进行分类,大致如下:
(1)涂料涂层:由粘结剂和金属氧化物颗粒组成,制备方法一般采用涂刷和喷涂的方法。
(2)电化学涂层:包括电镀法和阳极氧化法。
电镀法:常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等,均具有良好的光学性能。
阳极氧化法:常用的电化学涂层有铝阳极氧化涂层和钢的阳极氧化涂层等。
(3)真空镀膜涂层利用真空蒸发和磁控溅射技术制取,如磁控溅射得到的AIN涂层和NiCrO涂层,以及电子束蒸发的TiNO 等新型材料。
太阳辐射的能流密度低,在利用太阳能时为了获得足够的能量,或者足够的热量达到一定温度,必须采用一定的技术和装置(如集热器)对太阳能进行采集。
太阳能集热器是吸收太阳辐射能并向物质(水或空气)传递热量的装置,是太阳能热水器最主要的组成部分,其性能与成本对太阳能热水器的优劣起着决定性的作用。
太阳能集热器主要有平板型集热器、真空管集热器、聚光集热器三种。
1、平板型集热器
平板集热器是17世纪后期发明的,但直到1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域,平板集热器的技术经济性远比聚光集热器要好。
2、真空管集热器
真空集热器大体可分为:全玻璃真空集热管,玻璃-U型管真空集热管,玻璃-金属热管真空集热管,直通式真空集热管和储热式真空集热管。
3、聚光集热器
聚光集热器主要由聚光器,吸收器和跟踪系统三大部分组成。
这种集热器,可以随着太阳光线的移动而移动。聚光板的材料是从现有的光学树脂中进行重整后找到的高效经济的复合材料,价格适中,材料易购,易于成型。
最关键的是,聚光板可将平行光聚集到一条线上,使得集热板芯能吸收到更多的太阳能。“这是通过对“菲涅尔线焦透镜”的特殊处理,将太阳能的温度提高数十倍。”
优点
1、聚光型平板太阳能集热器是金属管板式结构,产热水量大,可承压,耐空晒,水在金属管内加热,质量稳定可靠,免维护,15年寿命。
2、电镀黑铬,电泳漆铝合金边框,性能好且外形美观。规格:1×2平方米,无云晴天产60℃热水量:80-140kg/平方米。高吸收率:≥95%,低发射率:≤8%,日平均热效率≥64%。
3、性价比更高。与普通平板相比内部多设计一个聚光槽来吸收热量,热吸收率是普通平板的1.5倍。