太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料是最重要的太陽能材料。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熱材料、顯熱儲熱材料等。利用相變材料的固-液或固-固相變潛熱來儲存熱能的潛熱蓄熱技術(shù),因具有蓄熱密度大、儲熱過程近似等溫、過程易控制等優(yōu)點而成為目前最具實際發(fā)展?jié)摿?、?yīng)用最多和最重要的蓄熱方式。許多物質(zhì)作為潛在的相變儲熱材料(PCM)已經(jīng)被研究過,但只有部分物質(zhì)實現(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)品相對比較成熟,很多已實現(xiàn)商品化。法國Cristopia、澳大利亞TEAP、日本三菱化學(xué)(Mitsubishichemical)、瑞典Climator、美國陶氏化學(xué)(Dow chemical)、德國Rubitherm GmbH與MerckKgaA等公司生產(chǎn)的PCM產(chǎn)品類型主要是鹽溶液、水合鹽、石蠟類和脂肪酸類,其熔點為- 33～ 110℃。典型的有機類相變材料有石蠟、脂酸類、高分子化合物等。顯熱儲能通過物質(zhì)的溫度變化來儲存熱能,儲熱介質(zhì)必須具有較大的比熱容?？勺鳛閮峤橘|(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)儲熱材料相比,固態(tài)儲熱材料具有兩個特點:①更大的熱能儲存溫度范圍,可以從室溫至1000℃以上的高溫段;②不產(chǎn)生介質(zhì)泄漏,對容器材料的要求低。這幾年主要研究的熱存儲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。國際研究傾向于在蓄熱和導(dǎo)熱過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。未來的重點是新型熱傳導(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(又稱溫差電材料)是一種利用固體內(nèi)部載流子的運動實現(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,材料兩端電子或空穴激發(fā)數(shù)量的差異將形成電勢差(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
太陽主要以電磁輻射的形式給地球帶來光與熱。太陽輻射波長主要分布在0.25～ 2.5μm范圍內(nèi)。從光熱效應(yīng)來講,太陽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。我們感覺在強烈的陽光下的溫暖和炎熱,主要是衣服和皮膚吸收太陽光線,從而產(chǎn)生光熱轉(zhuǎn)換的緣故。從物理角度來講,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現(xiàn)太陽能的光熱轉(zhuǎn)換,似乎用黑色的涂層材料就可滿足了,但實際情況并非如此。這主要是材料本身還有一個熱輻射問題。從量子物理的理論可知,黑體輻射的波長范圍在2～ 100μm之間,黑體輻射的強度分布只與溫度和波長有關(guān),輻射強度的峰值對應(yīng)的波長在10μm附近[3]。由此可見,太陽光譜的波長分布范圍基本上與熱輻射不重疊,因此要實現(xiàn)最佳的太陽能熱轉(zhuǎn)換,所采用的材料必須滿足以下兩個條件:
①在太陽光譜內(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。一般來說,對同一波長而言,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滿足如下關(guān)系:α+γ+ t= 1。對于不透明材料由于t= 0,則α+γ= 1。而對于黑色物體來說,γ= 0,則α= 1。根據(jù)以上討論可知,最有效的太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料是在太陽光譜范圍內(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為選擇性吸收材料。如不完全滿足以上條件,在熱輻射波長范圍內(nèi)ε值較大,盡管太陽光譜α≈ 1,仍有很大的熱輻射損失,這類材料通常稱為非選擇性涂層材料。所有選擇性吸收涂層的構(gòu)造基本上分為兩個部分:紅外反射底層(銅、鋁等高紅外反射比金屬)和太陽光譜吸收層(金屬化合物或金屬復(fù)合材料)。吸收涂層在太陽光波峰值波長(0.5μm)附近產(chǎn)生強烈的吸收,在紅外波段則自由透過,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)的研究成果來看,玻璃涂層將獲得更加長足的發(fā)展。
預(yù)計涂層未來的研發(fā)方向主要有以下幾個方面:
①超長的戶外壽命(抗風(fēng)、防灰塵吸附等);
②高太陽光反射率(反射波長覆蓋300～ 2500nm);
③良好的抗機械應(yīng)力特性,以適應(yīng)對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,太陽能一次吸熱(指直接從陽光獲取熱能)材料主要有金屬、塑料、玻璃等,但實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。