太阳吸收率范文（精选7篇）
太阳吸收率 第1篇
1 太阳能热水系统
1)整体式。
整体式热水系统的特点是集热器与畜热水箱合为一体,具有结构紧凑,设备简单,运行管理方便,造价低廉的优点,是一种深受用户欢迎、易于推广的家用热水系统。由于集热和储存热水都是在统一容器内进行,所以解决集热和保温的矛盾也很关键。能够运行整体式系统的热水器有两类:闷晒式热水器和储热式真空管热水器。
2)循环式。
a.自然循环式。自然循环式热水系统中的循环动力是靠管路内冷热水密度和液位差不同而产生的热虹吸压头来维持的。热水器中的水被太阳能加热后体积膨胀,密度减小,压强降低而上升。水箱下部的冷水由下循环管流入集热器,将被加热的水顶入水箱,不断循环。经过一段时间,整个水箱内的水就被加热到可以使用的温度。由于循环依赖于虹吸压头,所以热水箱必须高于集热器的上集管。能运行自然循环式系统的热水器包括平板式热水器、全玻璃真空管热水器和热管真空管热水器等。b.强制循环式。是利用水泵在集热器和储热水箱之间建立循环。
3)直流式。
直流式热水系统中的水只通过集热器一次就被加热到所需温度。直流式热水系统的工作原理是当集热器出口温度达到预定温度时,集热器出口处的温度灵敏开关打开,热水被自来水顶入储水箱。当集热器出口温度下降时,温度灵敏开关立即关闭,停止供水。直流式热水系统所采用的热水器包括平板式热水器、同心套管式真空管热水器和U型真空管热水器等,由于独特的运行原理,集热管可以任意角度放置,灵活性较大。
2 太阳能吸收式制冷系统
按照消耗热能及消耗机械能进行分类,太阳能制冷系统主要有5种类型:1)太阳能吸收制冷系统(消耗热能)。2)太阳能吸附式制冷系统(消耗热能)。3)太阳能除湿式制冷系统(消耗热能)。4)太阳能蒸汽压缩式制冷系统(消耗机械能)。5)太阳能蒸汽喷射式制冷系统(消耗热能)。文中就太阳能驱动溴化锂—水吸收式制冷系统原理及其特点进行阐述。
2.1 太阳能吸收式制冷的工作原理
太阳能吸收式空调系统主要由太阳集热器、吸收式制冷剂、空调箱(或风机盘管)、锅炉、储水箱和自动控制等几部分组成。用于太阳能吸收式空调系统的太阳能集热器既可采用真空太阳能集热器,也可采用平板型太阳集热器,太阳能吸收式制冷工作原理见图1。
2.2 溴化锂吸收式制冷原理
溴化锂吸收式制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、换热器、循环泵等几部分组成(如图1所示)。
在溴化锂吸收式制冷机运行过程中,当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水的加热后,溶液中的水不断汽化;随着水的不断汽化,发生器内的溴化锂水溶液浓度不断升高,进入吸收器;水蒸气进入冷凝器,被冷凝器内的冷却水降温后凝结,成为高压低温的液态水;当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时,急速膨胀而汽化,并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量,从而达到降温制冷的目的;在此过程中,低温水蒸气进入吸收器,被吸收器内的溴化锂浓溶液吸收,溶液浓度不断降低,再由循环泵送回发生器,完成整个循环,如此循环不息,连续制取冷量。由于溴化锂稀溶液在吸收器内已被冷却,温度降低,为了节省加热稀溶液的热量,提高整个装置的热效率,在系统中增加了一个换热器,让发生器流出的高温浓溶液与吸收器流出的低温稀溶液进行热交换,提高稀溶液进入发生器的温度。
2.3 溴化锂吸收式制冷机的主要特点
溴化锂吸收式制冷机优点:1)利用热能为动力,特别是可利用低位势热能(太阳能、余热、废热等);2)整个机组除了功率较小的屏蔽泵之外,无其他运动部件,运转安静;3)以溴化锂水溶液为工质,无臭、无毒、无害,有利于满足环保的要求;4)制冷剂在真空状态下运行,无高压爆炸危险,安全可靠;5)制冷量调节范围广,在较宽的负荷内适应性强,可在一定的热媒水温度、冷媒水出口温度和冷却水温度范围内稳定运转。
主要缺点:1)溴化锂水溶液对一般的金属有较强的腐蚀性,这不仅会影响机组的正常运行,而且会影响机组的寿命;2)溴化锂吸收式制冷机的气密性要求高,即使漏进微量的空气也会影响机组的性能,这就对机组制造提出严格的要求;3)浓度过高或者温度过低时,溴化锂水溶液均容易形成结晶,因此防止结晶是溴化锂吸收式制冷机设计和运行中必须注意的问题。
3 太阳能制冷研究的发展方向
太阳能制冷研究主要在三个方向上进行,即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷,以这三种制冷方法为基础,或综合或增强,又延伸出一些新的制冷方法。其中吸收式制冷和喷射式制冷都已经进入了应用阶段,吸附式制冷还在研究阶段。另外,太阳能压缩式制冷也得到过应用,但它是利用太阳能加热通过集热器的低沸点介质,经汽化后通入气轮机驱动制冷机制冷。
4 结语
在世界范围内很多国家和地区都开展了太阳能驱动溴化锂吸收式制冷系统的研究与应用,研究内容涉及集热器类型、吸收式循环结构以及蓄冷蓄热和经济效益等各个方面,但在广泛的研究热潮中,目前世界上还没有实现一个真正商业化的可以与传统电动压缩式制冷系统进行竞争的系统。吸收式制冷机的COP与压缩系统相比偏低是其中原因之一,但真正的瓶颈在于太阳能集热系统成本的居高不下。
降低真空管集热器、CPC聚光集热器等中低温集热器的成本,或者是生产出新类型的高效低成本的中低温集热器,将大大促进太阳能驱动溴化锂吸收式制冷系统的普及推广与商业化。
参考文献
[1]罗运俊.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2006.82-83.
[2]刘长滨.太阳能建筑应用的政策与市场运行模式[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.25-26.
不同颜色布料吸收太阳能的实验研究 第2篇
为什么夏天人们喜欢穿浅色的衣服,而冬天喜欢穿深色的衣服?为解答这个问题,我用定量的方法研究不同颜色吸收太阳能能力的大小,以及什么颜色吸收太阳能的能力最强,什么颜色能力最弱,从而为人们的日常生活与工业生产提供科学依据。
二、研究方法
1. 确定研究方案
利用从书本上学到的发散、想象和联想的思维方法,我想到了很多研究方案,例如:(1)先用相同的白色玻璃瓶装相同的水,再用不同颜色的布包住瓶子,在太阳下晒一定时间后,用温度计测量它们的温度;(2)用不同颜色的布料直接包在温度计上,在太阳下晒一定时间后,观察温度计示数;(3)取相同数量的不同颜色的颜料,将它们配制成不同颜色的液体,在太阳下晒一定时间后,再测量温度。经过试验预做和比较分析发现,方案(2)最佳、最直接方便,效果比较明显,也比较接近生活实际;其他方案需要的时间较长,有的效果不太明显。
2. 实验准备
100毫升的玻璃瓶4个、木板1块、量杯1个、吸球1个、记录本1本、铅笔1支、酒精温度计(范围在0～100℃,精度为1℃)以及水银温度计(范围在0～50℃,精度为0.5℃)各4根,厚度相同的黑、白、浅蓝布料各1尺
3. 实验过程
(1)测量前,在相同温度的水中校正4根温度计。用量杯分别量取100毫升的水装入3个玻璃瓶中。在将其中3根酒精温度计和3个玻璃瓶分别套上与其大小相同的布套,将它们放在室外的一块木板上;另取1根水银温度计(不用布套)同时放在木板上。10分钟后,读取并记录4根温度计的读数。每次读数完毕后,将4根温度计恢复到室温后再进行下一次测量,共测量3次,测量数据见表1。
(2)玻璃瓶内的水温上升得较慢,30分钟后读取第1组数据,以后每隔30分钟读取一组数据,测量数据见表2。
(3)用水银温度计代替酒精温度计进行测量,测量数据见表3。
说明:以下各表中,“直测温度”是指不用布包温度计或玻璃瓶测得的温度;“白色温度”是指白布包住温度计或瓶子测得的温度,其余类推。
三、实验结果
1. 实验结果
四、结果分析
1. 在相同的环境温度下,黑色布料吸收的太阳能最多,白色布料吸收的太阳能最少,其他颜色的布料对太阳能的吸收能力介于二者之间。环境温度越高,黑色布料吸收太阳能的能力越强,与其他颜色的温差越大;随着环境温度的降低,这种反差也随着降低。
太阳能光谱选择性吸收涂层研究进展 第3篇
1 光谱选择性吸收涂层的制备机理
太阳是一个炽热的球体,通过其体内的热核反应不断向外辐射能量。太阳表面的温度接近6000K,太阳辐射的能量主要集中在0.3~2.5μm的范围内。根据黑体辐射定律可知:不同温度条件下,黑体辐射有一个波长极大值,太阳辐射的波长峰值集中在0.5μm附近,而普通物体的温度一般只有几百开,其向外辐射的能量主要集中在2~50μm的波长范围内,二者的光谱线不重合(如图1所示)。所以,从理论上讲,可以制备 出一种涂 层在太阳 能辐射波 段 (0.3~2.5μm)具有高的吸收率α,同时在红外波段(2.5~20μm)具有低的热发射率εT[5]。
由此可见,光谱选择性吸收涂层中吸收率α、热发射率εT是衡量涂层优劣的重要指标。材料在同一波长范围内,吸收率的变化会引起热发射率的变化,吸收率增大的同时发射率也增大。太阳光辐射到物体表面时,一部分能量被吸收,一部分能量被反射,剩下的能量通过物体,其吸收率为α,反射率为R,透射率为τ,三者之间遵从如下关系:α+R+τ=1。对于不透明的物体,由基尔霍夫定律中吸收率、热发射率的关系可知:τ=0,α(θ,λ)=1-R(θ,λ),α(T,λ)=ε(T,λ),其中θ、λ、T分别是入射光线的入射角、波长以及测试温度。所以,选择性吸收涂层在太阳光谱范围内的平均吸收率α、红外波段范围内的平均热发射率εT可通过下面积分式计算[6]:
式中:Is(λ)、Ib(θ,T)分别是太阳能辐射和黑体辐射的能量密度,R(θ,λ)是测试温 度下、波长范 围内的反 射率。理论上,涂层的吸收率α≥0.9、红外热发射率εT≤0.2,即认为该涂层具有很好的光谱选择性[7]。但是,在光谱选择性吸收涂层的实际应用中,吸收率α增大到一定值时,想要获得更大的吸收率,热发射率εT也会随之增加。例如,涂层厚度增加引起吸收率α的增大,随着厚度的增加,涂层的热发射率εT也增加;温度升高会引起涂层吸收率α的增加,同样发射率εT 也增加。所以,通常用吸收比α/εT来衡量涂层的吸收性能[8]。另外,光谱选择性吸收涂层在实际应用中还要考虑到温度、湿度、酸碱性等环境因素对涂层其它性能的影响。
2 光谱选择性吸收涂层的种类
研究者通过对光谱选择性吸收涂层的长期研究,已经制备出了吸收率高、热稳定性好、耐候性强、抗老化程度高的涂层。依据光谱选择性吸收涂层的吸收原理、涂层结构,可以将其归为以下几类:本征吸收涂层、渐变型吸收涂层、表面纹理型吸收涂层、金属-电介质复合吸收涂层[9]。
2.1 本征吸收涂层
本征吸收涂层也称为本体吸收涂层,它主要是由一些具有合适禁带宽度的半导体材料和过渡金属组成。能带理论认为,半导体和过渡金属存在的禁带宽度为Eg,入射光的能量大于半导体的禁带宽度Eg时,入射光被吸收,实现半导体中的价电子由价带向导带的跃迁;入射光能量小于半导体的禁带宽度Eg时,入射光被反射。因此,作为制备吸光涂层的半导体材料 或过渡金 属材料,需要其在 太阳光谱 范围内(0.3~2.5μm)具有合适的 禁带宽度Eg(0.5~1.26eV)。Si(Eg=1.1eV)、Ge(Eg=0.7eV)、PbS(Eg=0.4eV)是常见的半导体材料,可以作为制备光谱选择性吸收涂层的材料。除此之外,一些过渡金属(Fe、Co、Ni、Mo、Mn、Cr)以及其氧化物、硫化物、硼化物、碳化物、氮化物都可以作为选择性吸收材料[10,11]。半导体材料是一类广泛的光谱选择性吸收材料,它具有耐高温、抗老化、稳定性强、导热率高等一系列优点,但是,这类材料往往具有高的折射率,表面的反射率也比较高,造成太阳光的损失,对吸收率 产生不利 影响。所以,需要利用化学刻蚀的方法或采用不同的制备技术改变半导体膜的形貌、几何 构型,降低膜表 面的反射 率,提高吸收率[12]。
2.2 渐变型吸收涂层
渐变型光谱选择性吸收涂层是依据涂层材料的光学性质设计制备而成。这类涂层利用其特殊的光学性质或者复合层之间光学性质 的差异,对紫外-可见光波 进行吸收[13]。这类涂层的结构往往如图2所示。
减反射层(ARC)在长波辐射范围内有很强的反射能力,在太阳光谱范围内具有很好的透过性,减反射层的厚度被模拟设计为λ/4。通常作为 减反射层 的材料有SiO2、Si3N4、Al2O3、SnO2、AlN、In2O3 以及ITO等半导体材料。其中,对这类材料进行掺杂会对其光学性质产生很大的影响。低金属体积含量(LMVF)、高金属体积含量(HMVF)的涂层对太阳光谱辐射起到吸收的作用。基底在红外区域要有较高的反射率,通常选用Cu、Al、Au、Ag、Cr、Ni、Fe以及不锈 钢(SS)等作为基底[14]材料。
多层渐变型吸收涂层从基底到表面,各层的折射率n、消光系数k逐渐减小,膜系的化学成分(金属含量)呈现梯度变化,光学常数也随之变化,从而拓宽对太阳能谱带的吸收[15]。近年来,文献报道在多层渐变型吸收涂层的基础上设计出了双减反射层(DRARC),双减反射层能够在更宽的太阳光谱范围内降低反射率,同时也产生顶层与底层较大的折射率差值,有助于涂层对光的选择性吸收。尽管多层渐变型涂层具有高的太阳光吸收率,但是这类涂层成本较高,随温度的升高(温度为300~500℃),涂层的热发射率上升,影响其光谱选择性吸收。另外,涂层中金属原子的迁移也会对涂层的光学性能产生影响[16]。
2.3 表面纹理型涂层
表面纹理型涂层是利用化学或者物理的方法在底衬表面沉积,制备的涂层在宏观上平整,微观上不平整,往往呈现出特殊的纹理。这些微观结构上的不平整性类似于光学陷阱,当波长较短的太阳光波通过陷阱时,在陷阱内经过多次折射而被吸收。这些光学陷阱对波长较长的红外光往往呈现镜面反射,从而达到对太阳光谱选择性吸收的目的[17]。这类涂层的表面通常呈“V”型沟、树枝状、蜂窝结构等。采用热蒸发沉积、化学气相沉积、阳极氧化、表面刻蚀等方法可制备该类涂层。Xiao等[18]在一定配比的NaOH与NaClO溶液中通过控制反应温度、反应时间,在铜基底上生长出不同形貌的CuO薄膜,其中带状结构的CuO像光学陷阱一样提高了涂层的吸收率。
2.4 金属-电介质复合吸收涂层
金属-电介质复合涂层是在具有高红外反射的金属基底表面通过物理沉积、化学沉积的方法得到一种金属细小颗粒嵌入到氧化物、氮化物、氮氧 化物电介 质中所形 成的涂层。这类涂层是由非晶电介质包覆微晶金属颗粒构成,金属粒子在电介质中的含量、粒子尺寸、粒子形状、粒子取向均会影响其光学性能。涂层越薄、涂层中粒子尺寸越小对太阳光的吸收率越高,随着粒子尺寸的增加,涂层对可见光的吸收逐渐转化成散射,导致涂层吸收率降低。涂层中金属粒子浓度、层厚度的增加均会造成热发射率的升高[19]。金属-电介质复合吸收涂层具有高的吸收率、低的热发射率,一般在中、高温条件下工作。 目前研究 较多的金 属-电介质涂 层有Cr-Cr2O3、M(Ni、Co、Mo、Ag、W、Pt、Al)-Al2O3、W-AlN、Al-AlN、Cu-SiO2、Mo-SiO2、Au-SiO2、Ni-SiO2等[20]。制备在500℃以上热稳定性好、光学性能优越的金属电介质氧化物、氮化物(如Y2O3、ZrO2、HfN、TiN)等材料仍然具有研究前景。另外,考虑到金属-电介质复合涂层中层与层之间的界面效应,通过光学模拟计算,采用不同的制备方法得到金属-电介质串联型复合涂层,进一步提高涂层的光学性能[21]。
3 光谱选择性吸收涂层的制备方法
国内外制备光谱选择性吸收涂层的方法主要有电镀法、阳极氧化法、涂料法、物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。
3.1 电镀法
利用电镀法将光谱选择性吸收材料沉积到基底材料上,通常利用此方法制备的涂层有:黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层。在电镀过程中,通过控制镀液浓度、电镀时间、电镀温度、电流密度(Dk)等条件制备光学性能较好的涂层。
电镀黑镍涂层一般都是镍基合金镀层,其涂层组成通过改变镀液组成和沉积条件而变化。镀液一般为硫酸盐和氯化物,以硫酸盐镀液为主。涂层的吸收率为0.88~0.95,热发射率为0.05~0.07,工作温度低于300℃。电镀黑镍涂层耗能少,成本低,镀液无毒,但是,黑镍涂层薄,耐候性、耐腐蚀性、热稳定性差,一般适用于低温环境[22,23]。黑铬涂层具有很好的耐候性、耐腐蚀性和热稳定性,且在高温条件下具有较好的光谱选择吸收性。通常它的吸收率为0.95~0.98,热发射率为0.18~0.12。黑铬涂层电镀过程中由于镀液导电性差需要高的电流密度,高电流密度下产生的热量需要冷却设备来进行处理,因此大大增加了生产成本。另外,镀液中的Cr6+会对环境造成严重的污染[24]。黑钴涂层的主要化学成分CoS是一种良好的光谱选择性吸收半导体材料,涂层具有蜂窝型网状结构[25]。
3.2 阳极氧化法
目前采用阳极氧 化法制备 的涂层有 铝阳极氧 化涂层、CuO转化涂层和钢 阳极氧化 涂层。CuO涂层的吸 收率为0.88~0.95,热发射率为0.15~0.30,其膜层表面有一层黑色的绒毛,一旦绒毛受到破坏,涂层的吸收率就会降低[26]。应用较为广泛的是铝阳极氧化膜,常用的制备方法是将金属基板放入含有磷酸的电解质溶液中进行阳极氧化,使其表面产生一层多孔氧化物,然后在金属盐溶液中利用电解沉积,在多孔氧化物中沉积金属粒子,形成金属-电介质复合涂层。研究发现金属粒子大部分沉积在孔底部,从而有效地避免了外界的侵蚀。多孔氧化物的热稳定性、化学稳定性有效地增强了涂层的耐热性、耐腐蚀性;一般涂层的吸收率高于0.9,热发射率在0.1左右,是一种很好的光吸收材料[27,28]。文献报道通过光学软件模拟,采用电化学沉积的方法,在阳极氧化铝的空隙中沉积金属铜,成功制备出Cu-CuAl2O4 的杂化涂层,它的光学 性能主要 依靠铜纳 米粒子的 本征吸收,CuAl2O4 作为保护层,避免高温条件下铜粒子被氧化,而影响其光学性能。Cu-CuAl2O4 具有良好的光谱选择性,α/ε为0.932/0.06,经温度测试发现,300℃的工作条件下,涂层的吸收率降到0.87,热发射率 几乎不变。 研究还发 现表层Al2O3 有裂纹会导致涂层吸收率下降。将来对铝阳极氧化膜孔隙率、薄膜在高温条件下光学性能、耐湿性等研究仍然具有广阔的前景[29]。
3.3 涂料法
涂料法是将吸光颜料分散在粘结剂中,然后再加入助剂形成涂料,将涂料刷涂或者喷涂到高红外反射的金属基底上形成涂层。这种涂层的制备方法简单、操作方便、实验条件要求低、容易实现大面积制备。最早采用的黑板漆为非选择性吸收涂层,吸收率为0.95~0.98,热发射率为0.89~0.97。常用的选择性吸光颜料为PbS、GeSi等半导体材料以及过渡金属氧化物,粘结剂通常为聚烯基材料和有机硅树脂,前者的透光性好,后者的耐候性强[30]。利用涂料法制备的光谱选择性吸收涂层中,涂层厚度与光学性能密切相关的涂层称为厚度敏感型光谱选择性吸收涂层(简称TSSS)。Orel等[31]以FeMnCuOx为吸光颜料,有机硅树脂为粘结剂,在金属铝、铜、不锈钢基底上采用喷涂或者拉杆涂布的方式制备出了光谱选择性吸收涂层,涂层在铝基底上的厚度分别为2.0g/m2和3.3g/m2,两种涂层的吸收率和发射率分别为α=0.89,εT=0.20;α=0.93,εT=0.36。随着涂层厚度增加,吸收率和发射率也相应增加。鉴于对TSSS涂层的研究,研究者进一步研发了厚度不敏感型光谱选择性吸收涂层(简称TISS),在涂层制备的过程中,将片状金 属粉 (铝、铜、镍)加入涂料中,以提高涂层的红外反射性,通过适当增加TISS涂层的厚度得到高吸收率和较好的力学性能。Orel等[32]将片状铝粉、彩色颜料分散于有机硅和聚氨酯树脂中制备出彩色TISS涂层。以有机硅为粘结剂,采用喷涂法制备的涂层具有高的热发射率,主要是由于SiO2中Si-O-Si键的振动引起红外吸收而造成。Japelj[33]尝试在Si-O-Si键中引入重原子Ti来对Si-O-Si链上极性基团之间的偶极-偶极作用进行去偶,从而减弱红外振动吸 收,达到降低 涂层发射 率的目的。Jerman等[34]将多面体倍半硅氧烷作为改性剂用于制备TSSS涂层,它有效地改善了涂层表面性质,使涂层具有自清洁性,一定程度上提高了涂层的光谱选择性。利用涂料法制备的涂层,由于有机粘结剂较高的红外吸收导致了涂层热发射率较高,涂层的光谱选择性不 高。另外,有机粘结 剂较差的 耐高温性、耐候性、耐老化性都影响着涂层的使用性能。
3.4 物理气相沉积
蒸发镀膜、等离子镀膜、脉冲激光镀膜、多弧离子镀、磁控溅射等一些不经过化学反应而直接制备薄膜的方法称为物理气相沉积(PVD)[35]。PVD法需要一定的真空条件,对环境友好,能够制备出预期性质的太阳能光谱选择性吸收涂层,尤其是制备中、高温光谱选择性吸收涂层[36]。目前PVD法主要用于制备3类光谱选择性吸收涂层:金属-电介质复合涂层、多层吸收涂层和减反射-吸收串联型涂层。利用蒸发镀膜的方法已 经制备出 许多陶瓷 涂层,如Au-Al2O3、Ag-Al2O3、Cr-Al2O3、铬尖晶石型涂层、铜尖晶石型涂层。这些涂层的α>0.90,εT<0.05。由于蒸发镀膜法薄膜的沉积速率难以控制,导致出现大量的针孔,所以不适宜大面积沉积薄膜[37,38]。Yin等[39]用阴极电弧蒸发的方法制备出Al-AlN(硅基底)陶瓷,a-C∶H-SS(玻璃基底)陶瓷。未过滤阴极电弧沉积得到的Al-AlN涂层,α=0.90,εT=0.06。大颗粒过滤条件下,利用阴极电弧蒸发沉积得到的a-C∶H陶瓷涂层在可见光区具有低的反射率。阴极电弧蒸发法制备涂层最大的缺陷是放射出大颗粒的阴极金属粒子。Wu等[40]通过光学软件模拟,利用磁控溅射技术制备出Ti-AlN陶瓷型多层膜系的彩色光谱选择性吸收涂层,涂层颜色为黑、紫、黄、黄绿、橙黄,吸收率为0.82~0.94,热发射率为0.05~0.27,涂层的亮度范围为0.65%~8.89%。彩色涂层与传统的黑色涂层相比光热转化效率有些低,但是它为太阳能应用于将来的建筑材料开辟了广阔的应用前景。
3.5 化学气相沉积
化学气相沉积(CVD)是利用气态的反应物,通过原子、分子间化学反应,使气态前驱体中的某些成分发生分解,沉积在基底上形成涂层。通过改变气相组成可以控制涂层的化学成分,进而可以获得梯度沉积物或复合涂层。采用等离子体和激光辅助技术可以显著地促进化学反应,使有些不耐高温的材料可以在较低温度下进行沉积[41]。Berghaus等[42]以铜作为底材,以W(CO)6和Al(C3H7O)3作为反应物进行热分解,实验中采用低压冷壁CVD沉积系统,得到无定形的W-WOx-Al2O3 涂层,它在纯H2气氛下800℃热处理1h得到W-γAl2O3 涂层,其α=0.85,εT=0.04。根据涂层中钨含量的梯度变化增加减反射层可以提高涂层的吸收率,该涂层可在500℃条件下工作。Schuler等[43]利用PVD-PECVD结合的方法制备a-C∶H/Ti光谱选择 性吸收涂 层,其α=0.876,εT=0.016。利用CVD法制备光谱选择性吸收涂层具有广阔的应用前景。
3.6 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是近几年发展起来的一种制备涂层的方法,它操作简单,制备成本低,对环境友好,并且涂层参数(如:吸光粒子尺寸、粒子的分布、薄膜的均匀性、化学成分、膜厚度等)容易控制。它可以在任何形状和较大尺寸的基底上沉积所需要的涂层。另外,它能够在低温条件下制备出微结构的沉积薄膜[44]。目前采用 溶胶-凝胶法合 成的涂层 主要有3类:金属氧化物选择性吸收涂层(氧化铜吸收膜、氧化钴吸收膜、氧化钌吸收膜)[45]、金属-电介质陶瓷膜[46]和碳-电介质陶瓷膜[47]、尖晶石和类尖晶石型选择性吸收膜(CuMnOx、Cu-Cr2O4、CuCoMnOx、CuFeMnOx等)[48,49]。利用溶胶-凝胶法合成金属氧化物/尖晶石(路径A)和金属/碳粒子包覆无机电介质陶瓷型光谱选择性吸收涂层,合成设计过程如图3所示。
目前通过溶胶-凝胶法制备的光谱选择性吸收涂层的吸收率、热发射率如表1所示。
尽管采用溶胶-凝胶法制备光谱选择性吸收涂层具有很多优势,但在进行商业化应用之前仍然有许多技术问题需要进行深入研究。金属氧化物和尖晶石型的涂层很容易用溶胶-凝胶法合成,但是其光谱选择性不高。为了提高其光学性能,前驱体的结合方式、吸收层的堆积构成、减反射层仍然需要进行研究。金属-电介质涂层有很好的光谱选择性,但是其溶胶的可重复性利用仍缺少研究,也没有对碳-电介质陶瓷型光谱选择性吸收涂层中的碳颗粒进行深入研究。
4 结语
太阳吸收率 第4篇
为了最大效率地实现太阳能向电能的转变，无论太阳在天空的什么位置，每一块太阳能板都要能够吸收从所有方向照射来的太阳光。此外，因为太阳光谱带很宽，所以太阳能板上的抗反射涂层必须能够吸收包括从紫外线、可见光到红外线波长的全部太阳光谱。因此，用于吸收太阳能的理想抗反射涂层必须对太阳光所有的光谱段和入射角保持低的反射率。
目前，一节未经处理的硅材料太阳能电池只能吸收67.4%的太阳光，这就意味着近三分之一的太阳光被它反射了，因此吸收率不高。从效率上来说，这部分没被吸收的太阳光被浪费了，这也是太阳能电站发展壮大的主要障碍之一。然而，当太阳能板硅表面经过新纳米反射涂层处理后，其对太阳光的吸收率能达到96.21%，只有3.79%的太阳光被反射而没有吸收。同时吸收率的提升覆盖整个太阳光光谱，从紫外线到可见光再到红外线，这样可使得太阳能电站的经济效益大为改善。
大多数太阳能板表面和涂层都是传输光线并且抗反射的，可以让阳光从特定角度通过它。例如，眼镜的镜片可以吸收和传输来自镜前光源的光线，但如果光源在配戴者的一侧或外围，这时镜片吸收和传输的光线就会很少。太阳能板也是同样的道理，一些行业使用的太阳能板组需要通过机械使其全天转动，从而确保其和太阳时刻保持一个合适的角度。如果没有这种自动转动系统的话，太阳能板就不能达到最佳位置，最终吸收的太阳光也就很少。然而，效率的提高意味着有更多的能量来驱动此自动化系统，同时要花费很高的代价对该系统进行维护和故障排除。新纳米减反射涂层的使用将不再使用该自动转动系统，因为抗反射涂层可以吸收各个角度的太阳光，无论太阳在什么位置，具有这一涂层的固定太阳能板都能吸收96.21%的太阳光。
以往的研究表明，四分之一波长的单层抗反射涂层在特定的波长范围内能实现零反射，但这仅仅对于小的波长λ和小角度θ范围有效。而双层抗反射涂层能将光谱反射范围拓宽为波长450—700nm，由此推测，制造一种特殊的表面结构可以增加光谱带宽度。同时，根据多层渐变折射率分布的原理，通过理论计算可以得到极低的反射率。进一步说，多层结构的每一层界面都具有不同的反射率，这就要求每层必须使反射率最小化以得到最小的总反射率。此外，这种抗反射涂层的总反射率还取决于折射面的平滑程度。
我们从制造单个抗反射涂层开始，之后从基础问题入手，测试和调整方案，设计出一种近似于连续渐变折射率面的序列多层纳米结构(见图1)，从而制造出这种能全角工作的太阳能板。这种多层抗反射涂层采用包括斜角沉淀在内的多种沉积技术制备得到。斜角沉积技术能够制备出符合预定倾角和物料孔隙率的倾斜纳米棒，而孔隙率的精确控制能够实现折射率n=1.09—2.6可控，这也使得几乎任何渐变折射率成为可能。
图1为渐变折射率抗反射涂层的剖面图，此新涂层共有七层，每一层的厚度由底部到顶部依次为69、78、81、101、113、145和156nm。底部两层由TiO2构成，中间三层为SiO2和TiO2混合物按一定的折射率组成的共溅射薄膜。顶部两层由折射率很低的倾斜的SiO2纳米棒组成，其折射率分别为n=1.22和1.09。可以看出，渐变折射率面和极低折射率的SiO2倾斜纳米棒组合，从而使得这种抗反射涂层对于整个太阳光谱拥有极低的反射率和极高的透射率。
此七层抗反射涂层一层层叠加，这样每一层就能加大下一层的抗反射作用。同时，这些额外的层还能帮助“弯曲”阳光，从而加大其抗反射的性能。这意味着每一层不仅传输阳光，而且帮助捕获其下一层反射回来的任何光线。此七层涂层都是由倾斜的SiO2和TiO2纳米棒组成，每一层厚50—100纳米，其外形和功能类似于茂密的森林，在森林中，一层层的树林将阳光捕获。这些纳米棒通过化学气体沉积在一块硅片上，当然此新涂层也能粘到太阳能电池所使用的几乎任何感光材料上，包括碲化镉等材料。
此外，虽然抗反射涂层要求涂布多层，这比典型的单层要复杂些，但每一层的厚度不需要很精确，这使得加工比较简单。迄今发现此涂层的唯一缺点是：纳米棒比较易碎。未来的研究将着力于更好地保护它们，致力于研究利用一种多空渗水的薄膜，使之更为结实。
摘要：本文从两方面介绍用新纳米减反射涂层能提高太阳光的吸收效率和光电转换效率。
太阳吸收率 第5篇
这种罕见的金属被称之为“二钌富瓦烯”。吸收阳光时, 二钌富瓦烯的分子会改变形状, 变成半稳定状态, 但这种状态非常安全。它们能够无限期存储热量, 借助于一种催化剂, 它们又可以恢复到最初形态, 同时释放所储存的巨大热量。这些热量可用于为房屋供暖。
当前使用的绝大多数太阳能装置能够将太阳能转化成电能或者热量, 但它们无法将暂时不用的能量存储起来。释放热量时, 使用二钌富瓦烯制成的燃料温度可达到200摄氏度。这种方式被称之为“热化学方式”, 效率远高于常规太阳热系统, 后者需要使用绝缘材料, 让热量逐渐释放。
研究论文主执笔人杰弗里·格罗斯曼表示:“它利用了太阳热能的很多优势, 但却以燃料的方式存储热量。存储的热量可以释放, 整个过程在长期内较为稳定。你可以在需要的时候使用存储的能量。你可以将燃料放在阳光下, 为其充能, 而后使用存储的能量, 用完之后再将它放在阳光下再次充能。”
太阳吸收率 第6篇
能源是人类日常生活和社会生产都离不开的物质。进入21世纪以来, 国际传统的化石类能源价格跌宕起伏, 燃烧化石燃料后所造成的排放污染问题日益凸显, 对于中国这个人口大国来说, 经济社会的快速发展与资源需求之间的突出矛盾已不是一个崭新的话题。如何寻找一种可再生的清洁能源作为补充品或局部替代品, 是摆在每一个国家决策者和新能源制造商面前的重要课题。因此, 从宏观上讲, 发展太阳能产业的首要价值即是对传统发展模式的纠正, 是对可持续发展道路的践行, 更是对中国自然环境利用、保护机制的深刻变革。从具体产业发展上讲, 太阳能产业是具有巨大发展潜力的阳光产业, 开发运用的核心技术还有很大的可成熟空间, 鼓励企业对技术进行研发创新是我们抢占新时代核心技术制高点的重要机遇。
太阳能利用中包括太阳能的光—热、光—电转化, 而太阳能热利用被公认为最有效、最经济的太阳能利用方法。对于光热转化效率一定的太阳能热水器, 投射到集热器采光面较多的太阳辐射就意味着该设备输出的可用能量最多。
2 理论计算方法
太阳辐射能量中, 直射辐射所占比例较大, 投射到采光面的太阳直射辐射能的多少取决于太阳入射角, 太阳入射角越接近0°, 投射到采光面的太阳直射辐射能量就越多, 而太阳的入射角依赖于集热器安装的倾角与朝向。此外, 散射辐射 (包括来自太阳的散射和太阳照到地面反射回来的散射两个部分) 同样也占据着相当的比例, 投射到集热器采光面的散射辐射同样与采光面的安装倾角有关。对于安装朝向的确定, 近来年已有大量学者对其进行了研究, 得出了一些适应于特定地区的简单规律, 一般来说, 朝南放置为其最佳朝向。本文将针对昆明和丽江两个地区朝南放置的平板太阳能集热器的安装倾角与集热器吸收的太阳总辐射量的关系进行如下的理论计算。
在太阳辐射相关计算中, 广泛使用的是多年累计月平均总辐射。假定给定某个月水平面总辐射Hhm, 除以该月的天数, 得出月平均日水平辐射量Hh, 月平均日散射Hd由Collares-Pereira-Rabl经验关系式求出[1]:
式中:KT为月平均大气晴空指数, KT为:
H0为大气层外月平均水平日太阳辐射量, 可由下面的表达式求出:
I0为一年中第n天在法向平面上测得的大气层外的辐照度, n从1月1日算起。
式中:δ为赤纬角。
式中:ω0为太阳时角, 为纬度角。
计算中, 取每月中间日作为代表日来计算月平均晴空指数KT和月平均日散射Hd。知道月日平均水平辐射Hh和月平均日散射Hd, 天空散射和水平面辐射的逐时变化由下列关系式求出:
常数a, b由下面的表达式确定:
倾斜面上的太阳辐射Ht:
式中:Rd为倾斜面与水平面散射辐射之比。
式中:Ht为集热器倾斜表面上能接收到的总太阳辐射量。
3 计算结果及分析
昆明的地理纬度为25.02°, 丽江的纬度为26.86°, 根据上述公式及相关数据, 把公式 (17) 对每个月求和, 利用计算机编程进行循环运算, 得出昆明地区和丽江地区每个月不同安装倾角与所吸收辐射量的值。图1、图2为昆明地区上半年和下半年太阳能集热器朝南安装时不同角度下单位面积所吸收的太阳总辐射量的关系曲线, 图3、图4为丽江地区上半年和下半年太阳能集热器朝南安装时不同角度下单位面积所吸收的太阳总辐射量的关系曲线。
昆明、丽江两个地区在春季太阳总辐照量最大, 夏季由于天气原因, 所接受的太阳总辐射量较小。由图1、图2、图3、图4可看出昆明地区和丽江地区在相同朝向, 各个月的最佳安装倾角与吸收太阳总辐射量关系的趋势走向略有相同。昆明地区和丽江地区在1月、2月当倾角安装范围为30°~60°时, 能接收到较大的太阳辐射;3月在20°~30°, 4月、8月在10°以前, 吸收较好;5月、6月、7月当安装倾角趋近于0°时, 吸收辐射达到最大值;9月安装倾角接近于20°时, 10月安装倾角在35°~40°范围时, 有较好的吸收;当到了11月、12月时, 安装倾角在45°~60°范围之间吸收太阳辐射效果最为理想。表2中, 昆明和丽江夏半年使用集热器的时候, 朝南放置, 其最佳倾角接近于0°时, 能得到最大辐射量;春分时 (3月) , 最佳倾角为当地地理纬度, 得到的太阳辐射量最大;冬半年使用的集热器, 其最佳倾角近似等于纬度角 (θ) +20°左右, 能得到最大辐射量。集热器每个月的最佳倾角相差很大, 它与地理纬度和每个月的气候特征有关。
4 结论
(1) 对于给定朝向的平板太阳能集热器, 存在着最佳倾角。
(2) 集热器每个月的最佳倾角相差很大, 它与地理纬度和每个月的气候特征有关。
(3) 在昆明和丽江, 夏半年使用集热器的时候, 朝南放置, 其最佳倾角接近于0°;冬半年使用的集热器, 其最佳倾角近似等于θ+20°左右。
(4) 应根据安装方位的不同, 采用不同的安装倾角, 以获得最大太阳辐射总量。
(5) 本文计算结果及分析是根据平板太阳集热器在固定朝向 (朝南) 放置时推导而来的, 对采用平板太阳集热器朝南安装放置时有一定的指导意义。
参考文献
[1]Rabl A.Active solar collectors and their applications[M].Oxford:Oxford University Press, 1981.
[2]张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安:西北工业大学出版社, 2004.
[3]Runsheng Tang, Tong Wu.Optimal tilt-angles for solar collectors used in China[J].Applied Energy, 2004, 79 (3) :239~248.
太阳吸收率 第7篇
制冷和空调装置大多采用有温室效应和破坏臭氧层的人工合成物质作为工质。在当今能源短缺的背景下, 高能耗的空调装置, 严重制约着它的发展。因此, 制冷和空调中的节能和环保问题越来越引起人们的关注。采用太阳能作为驱动能源、溴化锂溶液作为工质的太阳能制冷与空调技术, 完全符合当今节能和环保的要求。在太阳辐射较强的夏天, 可启动低温溴化锂吸收式制冷机, 充分地利用夏天的太阳能资源。目前, 太阳能空调的研究和技术开发往往局限在大型太阳能空调系统, 对普通居民所需求的小型太阳能吸收式空调的研发却相对较少。基于小型太阳能吸收式空调与大型机在结构和设计方法中存在很大的差别, 因此, 有必要对小型太阳能吸收式空调进行深入详细的研究。
1 小型太阳能吸收式空调热水供暖系统的工作原理
太阳能吸收式空调热水供暖系统是利用太阳能集热器将水加热, 为吸收式制冷机的发生器提供所需的热媒水, 从而使吸收式制冷机正常运行, 达到制冷的目的。太阳能吸收式空调热水供暖系统主要包括太阳能集热器、吸收式制冷机、空调箱或风机盘管、燃气炉、储水箱和自动控制系统等部分。由此可见, 太阳能吸收式空调装置是在常规吸收式空调装置的基础上, 增加了太阳能集热器和储水箱等主要部件。太阳能吸收式空调系统可以实现夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活热水等项功能, 其工作原理见图1。
1—太阳能集热器;2—空调热水柜;3—溴化锂吸收式制冷机;4—冷却水柜;5—冷却塔;6—冷媒水柜;7—日用热水柜;8—辅助热源;9—空调用户;10—热水用户
2 国内小型太阳能吸收式空调热水供暖系统的研究
在小型吸收式空调研究中, 西北纺织学院的武俊梅, 西安交通大学的张祉, 等[1], 在1995年, 设想研制与窗式空调器一样的吸收式溴化锂空调器, 旨在大量节约电能。廉永旺, 马伟斌, 李戬洪, 等, 为了克服大型溴化锂制冷机结构系统复杂、制造工艺难度较大、体积大、造价高, 很难与太阳能集热器相配套, 达到实用化的问题。按照小型溴化锂吸收式制冷机结构简单, 体积小, 造价低的要求, 开发了新型结构, 使用简单的循环方式, 简化制造工艺, 降低成本和减小体积[2], 研制了一种新型单级溴化锂吸收式制冷机 (见图2) 。
对该制冷机进行测试和分析后表明, 系统在设计运行工况下, 溶液浓度较低, 完全可以避免结晶现象的发生, 实际测试表明系统工作状况良好, 平均COP达到0.67。系统热水温度达到65 ℃开始制冷, 最低制冷温度可以达到6 ℃。在太阳能热水温度达到80 ℃以上时, 即可达到设计制冷工况, 但是, 该系统的稳定性尚需进一步改进。
西安交通大学的谷雅秀, 等[3], 建立了小型太阳能热水型无泵溴化锂吸收式制冷系统, 采用了降膜吸收器、降膜蒸发器、弦月型通道热虹吸提升管等新型设计[4]。为了提高制冷系统的整体运行效果, 首次设计了一套二次发生装置, 使系统能在较低的初始溶液浓度范围 (46%～54%) 下运行, 并保持较高的放气范围和吸收率, 有助于提高吸收器性能;使冷剂水产量较之不使用二次发生器的情况增大了1.68倍, 明显改善了蒸发效果, 平均制冷系数可达0.725。
马良涛[5]介绍的燃气炉与太阳能联合采暖和制冷系统, 阐述了太阳能采暖和制冷系统的设计方案、系统的构成和工作原理以及主要技术参数和控制方法;研制了新型太阳能冷—热并供系统。该系统与传统系统最显著的区别是取消了冷却塔, 冷却水变成了热水输出, 制冷机也由原来的整机式变成了分体式。
黄飞, 等[6], 通过对一别墅建筑用小型太阳能及天然气为热源的单效溴化锂吸收式空调系统进行的设计研究发现, 采用小型太阳能吸收式空调机组, 配以一定辅助能源, 利用屋顶采光, 可以基本满足别墅建筑的空调负荷需要。采用共晶盐蓄冷技术, 可以利用太阳能吸收式制冷进行白天蓄冷, 供晚间空调使用。从现有的各大中型太阳能空调系统看, 太阳能利用存在初投资大的不利条件。但是, 由于该系统适用于别墅建筑及其他绿色住宅小区, 潜在市场大, 系统成本有望大幅度下降。
胡亚才、张雪东、王建平、洪荣华[7]发现, 溴化锂溶液是强碱性的腐蚀介质, 所以一直以来, 传统的溴化锂吸收式制冷机难以解决的老大难问题, 就是换热装置腐蚀以及由此引起的冷量衰减。为了解决这些问题, 笔者提出用薄壁细管径塑料管制成的塑料换热装置代替金属换热装置, 有望解决溴化锂吸收式制冷机的腐蚀问题。以研制1台制冷量为3.49×104 W的溴化锂吸收式制冷机组为例, 对塑料换热装置的溴化锂吸收式制冷机组与传统金属溴化锂吸收式制冷机组相关部件的参数进行比较, 塑料换热装置良好的抗腐蚀性, 可大大延长溴化锂吸收式制冷机的寿命和溴化锂溶液使用寿命, 降低运行维护保养费用。
3 国外小型太阳能吸收式空调热水供暖系统的研究
约旦大学的M·HAMMAD, 等[8], 在20世纪80年代中后期, 设计了1个小型的太阳能驱动溴化锂—水吸收式制冷系统。太阳能集热器由3.6 m2的平板集热器以及0.15 m2的椭圆形聚光集热器组成。所使用的溴化锂吸收式制冷机是由约旦大学自行制造生产的四大换热器 (发生器、吸收器、冷凝器和蒸发器) 组装而成的。系统制冷量仅为1.75 kW, 他们称之为第一代太阳能吸收式制冷系统。1995年, 他们在第一代制冷系统的基础上进行了改进, 重新设计制造了1台新的太阳能驱动溴化锂—水吸收式制冷系统, 目标应用场合是在遥远的沙漠地带进行食物以及药物贮存。主要改进有:a) 系统制冷量从1.75 kW提高到5.25 kW, 使得系统的收益与成本之比达到1.4, 和压缩式制冷系统相比有了竞争力;b) 制造技术更加先进, 多采用市场上购买的标准部件而非自己制造, 系统COP从0.6提高到了0.75。
香港采暖季节短而空调制冷需求大, 1999年香港大学的李中付, 等[9]在总结前人研究的基础上, 提出了1种带有分层蓄热水箱结构的太阳能驱动吸收式制冷技术, 通过系统建模, 分析了该系统的优点并进行了实验验证。
希腊A·A·Argiriou, 等[10]对1台带有热泵的10 kW太阳能单级溴化锂地板制冷/制热空调系统进行了研究 (见图3) 。
对2栋建筑在高低热流量和3种气候条件下, 不同的太阳能集热器, 不同的储热箱容积, 不同的控制系统进行了计算和应用TRNSYS.模拟, 与压缩式制冷/热泵系统相比, 可以节能20%～27%。
Syeda, 等[11]以典型的西班牙马德里住房为研究对象, 采用49.9 m2平板集热器, 单效溴化锂制冷功率为35 kW, 热量存储在2 m3热水柜中, 冷媒水直接送到用户。制冷量为5.13 kW 至7.5 kW, 最小发生器进水温度65 ℃～81 ℃, 最大制冷系数0.60, 平均制冷系数0.42。并根据每日太阳能分布情况, 绘制了能流图, 制冷系数分布图。
突尼斯 (北非国家) M Balghouthia, M H Chahba-nib, A.Guizani[12]研究太阳能吸收式空调系统在突尼斯应用的可能性。应用TRNSYS and EES 软件对系统进行了评估和模拟。对150 m2典型建筑的空调系统进行了优化, 该系统包括30 m2平板式集热器, 0.8 m2热水储存箱, 制冷量为11 kW。吸收式制冷机制冷系统COP在0.7左右。
M. Mazloumi, 等[13]以伊朗阿瓦士城市空调为例, 研究模拟单效溴化锂太阳能空调系统。来自集热器的太阳能储存在保温的储水箱中, 制冷量在7月是峰值约为17.5 kW。建立了热力学模型模拟制冷循环。研究中发现, 集热器的质量流量对于所需最小集热面积有不可忽略的作用, 并且对储水箱的优化同样有巨大的作用。集热器最小面积为57.6 m2。
4 结语
由于太阳能的密度低、不稳定、非连续, 使如何开发户式新型太阳能空调系统成为实现普遍应用的关键。目前, 要实现其商品化生产, 还有许多问题需要进一步解决。但是, 随着技术的革新以及人们节能与环保观念的增强, 户式太阳能空调系统必将有更广阔的发展空间。
摘要：针对小型太阳能吸收式空调与大型机在结构和设计方法中差别, 叙述了国内外在系统小型化, 结构优化, 降低成本, 提高效率方面所做得的研究, 提出了应用中应解决的问题。