太阳能热水器中的灯光转换材料应用

太阳能热水器中的灯光转换材料应用

能源问题是世界上最突出的问题之一。能源行业是人们无法承受的、无法利用的清洁能源。如今太阳能材料的研制和应用已取得显著进步。理想的新型太阳能功能材料不仅能够解决世界面临的能源短缺问题,而且还可以避免环境的污染。所以太阳能材料具有十分诱人的前景,并且可以预见在不久的将来,太阳能材料将在人类生活中扮演极为重要的角色。新型太阳能功能材料的研制和太阳能器件的产业化将会使人类在能源利用和环境保护两方面达到和谐的境界。1材料的热转换材料太阳能光热转换材料是一种重要的太阳能材料。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。1.1pcm产品主要活性物质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(Dowchemical)、德国RubithermGmbH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(Dioldi-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/PEcopolymer)、铝镁锌合金(Al-34%Mg-6%Zn)、高密度聚乙烯/石蜡混合物等。1.2导热流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。1.3材料两端偏差时模型热电材料(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)。1.4太阳能热转换技术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。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。2太阳能供热太阳能集热器中利用的选择性涂层材料多是将超细金属颗粒分散在金属氧化物的基体上形成黑色吸收涂层,通常采用电化学、真空蒸发和磁控溅射等工艺来实现。在太阳能热水器上得到广泛应用的太阳能吸热涂层主要有磁控溅射涂层、选择性阳极氧化涂层等。从使用和经济角度考虑,对光热转换材料的基本要求除了吸热性能外,还要求使用寿命长、生长成本低等。我国从20世纪80年代开始加快了在太阳能吸热材料方面的研究,清华大学、北京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层材料。所研制的黑钴选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性,适合应用在工作温度较高的真空集热管上。研制成功的用于全玻璃真空管上铝-氮/铝太阳光谱选择性吸收涂层也具有很好的性能参数。近来国内外在制备工艺上主要利用电化学和磁控溅射方法,所研制的选择性吸收涂层材料也正朝多层化、梯度化发展,如备受重视的氮化铝选择性吸收涂层就是新一代吸热涂层的代表。从目前已达到的水平来看,光热转换材料的性能还可进一步提高,这不仅需要人们不断探索新的材料体系和制备工艺,还可在涂层的玻璃盖板表面上做文章。如德国某研究所利用全息照相技术在平板盖板表面上进行纳米结构处理,以增加太阳光透射率,减少太阳能的反射损失,从而使太阳能的热利用效率得到了进一步提高[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]。从技术与经济的观点来看,最简单也最实际的途径就是把太阳能转换成热能加以利用。事实上太阳能光热转换是目前世界范围内太阳能利用的一种最普及、最主要的形式。我国已成为世界上生产太阳能热水器最多的国家,同时也拥有世界上最大的太阳能热水器市场。可以预见,太阳能热水器将是不可取代的太阳能利用形式。目前,国家正在大力提倡节能减排,因此太阳能热水器如何与建筑实现一体化又是目前最热门的问题,平板太阳能热水器容易与建筑一体化的优点又将得到重视。3太阳能热泵从受冷遇向发展太阳能热水器的类型很多,其构造主要有集热器和蓄热器两大部分组成,其中集热器是技术关键,直接关系到太阳能热水器的使用性能和能够正常运行的环境温度条件。目前广泛应用于日常生活中的太阳能热水器根据集热器的不同按使用季节基本上可分为3类。第1类:只能在夏季或炎热气候下使用。一般有闷晒式和普通平板式。第2类:能在春、夏、秋及最低环境温度高于零度时使用,主要类型有全玻璃真空管式和双层玻璃平板式。此类集热器在气温低于零度时须放水停用,否则将造成集热器的冻伤害。第3类:可以在全年任何气候中使用,主要有热管玻璃真空管式集热器。20世纪80年代中期,以平板型太阳集热器为主要部件的太阳能热水器在我国已初步形成产业,这对于节约常规能源、保护自然环境和改善人民生活都发挥了积极的作用,然而由于平板型太阳能集热器只能提供低温热水而且一般不能全年运行,应用范围受到限制。为进一步提高集热器的工作温度,拓宽太阳能应用领域,研究开发了全玻璃真空管式太阳能集热器及热管-真空管式太阳能集热器。目前大量应用的太阳能集热器主要有平板式太阳能集热器、全玻璃真空管式太阳能集热器、热管式太阳能集热器、热管-真空管式太阳能集热器,其中全玻璃真空管式太阳能集热器占领国内大部分市场。但从太阳能集能器的发展趋势来看,平板式太阳能热水器具有发展潜力,理论上平板式太阳能集热器的日平均效率比真空管式太阳能集热器要高。20世纪80年代曾占我国太阳能热水器统治地位的平板太阳能热水器在近10多年内已逐渐被全玻璃真空管太阳能热水器替代,市场份额逐年下降,现已降至15%左右。然而同期国外太阳能集热器市场并没有发生这样的变化,平板太阳能热水器现仍占主流地位。平板太阳能热水器在我国如何从受冷遇迈向发展是太阳能热利用行业关注的热点之一。为什么平板太阳能热水器在我国受冷遇?(1)我国太阳能热水器无论是家用还是集体用系统(热水工程)一直沿用直接加热太阳能集热器中的水的传统方法,平板太阳能集热器中水的冻结不仅影响了集热器的正常运转,而且导致集热管的涨裂。为了解决这一问题,研究了落水排空、加热防冻循环、不排水抗冻等诸多方案,但这些方案在家用太阳能热水器,特别是自然循环家用太阳能热水器中一直未能被广泛应用。真空管太阳能热水器因冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰或不冻坏(特殊情况如雪天,严寒也有可能冻坏),因而受到了市场欢迎。(2)全玻璃真空管热水器生产成本近10多年来大幅度降低。与此同时平板太阳能热水器的生产成本却没有太多降低。目前家用全玻璃真空管热水器和平板太阳能热水器的成本几乎没有太大差别。(3)在商业运作方面,全玻璃真空管热水器被生产厂及商家宣传为热性能远高于平板太阳能热水器,其主要理由是真空绝热,这一宣传极易为我国大众接受。以上3点是我国平板太阳能热水器受冷遇,而全玻璃真空管热水器迅速得到发展的主要原因。然而,同期国外太阳能热水器市场并没有发生这样的变化,直至今日平板太阳能热水器仍占主流地位。为什么平板太阳能热水器在我国受冷遇,在国外却继续稳步发展呢?(1)国外太阳能热水器,无论是家用还是集体用(热水工程),不是采用直接加热太阳能集热器系统中水的传统方法,而是普遍采用防冻液-水二次换热。即使是自然循环家用太阳能热水器的平板太阳能集热器中也充满了防冻液,热水箱内设置了防冻液水二次换热器,典型的代表是澳大利亚-solarhart公司的自然循环平板家用太阳能热水器。欧洲的家用和集体用系统(热水工程)则使用泵驱动防冻液在平板太阳能集热器及储热水箱的换热器间循环换热。这一方法从根本上解决了平板太阳能集热器中水的冻结及冻坏问题,同时还解决了平板太阳能集热器中水结垢的问题。(2)与我国的平板太阳能集热器相比,国外的平板太阳能集热器玻璃盖板采用高透过率(90%)钢化平板玻璃,而我国则采用低透过率(80%)平板玻璃。国外的平板太阳能集热器普遍采用性能较高的选择性镀层吸热板,太阳光吸收率90%,红外发射率6%,而我国的平板太阳能集热器的吸热板,性能最好的红外发射率也高于20%,如电化学处理的黑镍(用于铝板)或黑铬(用于铜板)。有些生产厂家还在使用性能极差的黑漆涂料。国外平板太阳能集热器的热性能与全玻璃真空管太阳能集热器相比,在提供家用热水时几乎没有差别。权威的瑞士SPF对多家生产厂检测结果表明(基于Aperture),平板太阳能集热器效率曲线截距η在0.78～0.81,热损系数在3.54～4.03W/(m2·K);全玻璃管真空管集热器(内插热管或U形管)η0在0.53～0.61,热损系数在1.30～2.22W(m2·K)。在提供生活用热水时,以瑞士中部气候为例,平板太阳能集热器全年输出为485～541W(m2·K),全玻璃管真空管集热器全年输出为466～561W(m2·K)。尽管全玻璃管真空管集热器的热损系数远低于平板太阳能集热器,但平板太阳能集热器效率曲线的截距却远高于全玻璃管真空管集热器。需要指出的是SPF检测的全玻璃真空管太阳能集热器多是密排管。国内的全玻璃真空管太阳能集热器管间距要大得多,热效率还要更低一些。(3)我国普遍采用的直插式全玻璃真空管热水器与国外的防冻液循环太阳能热水系统不兼容。由于承压防漏的严格规定,全玻璃管真空管不能直接走水使用,只有在全玻璃真空管内插入热管或U形管金属导热片对全玻璃真空管进行改造后才能使用,于是全玻璃管真空管集热器的成本成倍上升,导致全玻璃真空管太阳能集热器比国外平板太阳能集热器还要贵。因此,国外太阳能集热器市场格局并没有因全玻璃真空管太阳能集热器的引入而发生重大变化,直至今日平板太阳能集热器、热水器仍占主流地位,继续稳步发展。4平板太阳能热泵供热技术的创新我国平板太阳能热水器有20多年的生产、推广应用经验。目前华南、云南地区平板太阳能热水器仍占据市场的主体地位,即使在北方地区也有不少用户使用。近年来直插式全玻璃管真空管热水器在使用中也暴露了不少问题,如炸管、冻裂、管内结垢和沉积泥沙、密封胶圈漏水、冬眠等,特别是大工程不能承压运行,使人们重新审视平板太阳能热水器,也为平板太阳能热水器