太阳能选择性吸收涂层的现状及发展.PDF

中国涂料在线 太阳能选择性吸收涂层的现状及发展 吕 坤 王海英 董 华(青岛建筑工程学院, 266033) 摘要 : 简述太阳能选择性吸收涂层的吸收原理及材质具有选择性吸收的条件 , 概述了各种涂层的性质及 分类 , 并预测其发展方向。 关键词 : 太阳能 ; 吸收率 ; 发射率 ; 选择性 太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源 , 然而由于其到达地球后能量密度小 , 给大规模的开 发利 用带来困难。这就决定了太阳能直接用于日常 生活和工业生产前 , 必须提高太阳能的能量密度。 太阳能选 择性吸收涂层对可见光的吸收率很高 , 而 自身红外辐射率很低 , 能够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 , 是太阳 能热利用中的关键技术 , 对提高集热器效率至关重 要。 1 太阳能选择性吸收涂层的选择性 太阳辐射能量主要集中在波长为 (0 . 3 ～ 2 . 1) μ m 的可见光谱范围内。理想的吸收涂层对此波段 内的太阳 辐射吸收率为 1 , 而对此波段以外的红外 光区发射率为 0 , 即吸收率也为 0 。因为吸收太阳 辐射能的选择 性涂层自身也对外辐射能量 , 主要以 红外区的长波辐射为主。为了减少辐射热损失 , 要 求吸收涂层在红外 区有尽可能低的发射率 , 否则吸 收的短波能量又以长波形式辐射掉。因此 , 选择性 吸收涂层的光谱选择性 就是对可见光区有较高的吸 收率 ( α ), 对红外光区有较低的发射率 ( ε ) 。 2 材质具有选择性吸收的条件 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。被选 择性吸收的辐射光子能量 , 应为跃迁后与跃迁前两个能级间的能量差 , 即 h ν = Δ E = E 2 -E 1 式中 : E 2 与 E 1 —— 高能级与低能级能量 , J h —— 普朗克常数 , h = 6 . 626 × 10 -34 J · s ν—— 频率 , s -1 在太阳光谱区 , 波长在 (0 . 3 ～ 2 . 1) μ m 的太阳辐射强度量大 , 因此对该光谱区的光量子吸收是关键。 中国涂料在线 光子能量 : E = h ν = hc/ λ 式中 : λ—— 波长μ m c —— 光速 ,c ≈ 3 × 10 8 m / s 由此可知波长在 (0 . 3 ～ 2 . 1) μ m 范围内的光子能量为 (9 . 939 × 10 -20 ～ 66 . 26 × 10 -20 ) J , 即 在 (59 . 83 ～ 398 . 89) kJ · mol -1 。所以材质中只有存在与波长 (0 . 3 ～ 2 . 1) μ m 光子的能量相对应 的能级跃迁 , 才具有好的选择吸收性。表 1 中列出了一些物质的能级跃迁值 [ 1 ] 。 表 1 一些物质的能级跃迁值 从表 1 中可以看出 , 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的主要材质。 3 选择性吸收涂层的分类 3 . 1 按吸收原理和涂层构造不同分类 根据吸收太阳光的原理和涂层的构造不同 , 可将选择性吸收涂层分为四类。 (1) 半导体涂层 半导体涂层是利用半导体物质的电子结构中适当能隙 Eg , 吸收能量大于 Eg 的太阳辐射光子 , 从而使材料 的价电子产生跃迁进入导带 , 而对能量小于 Eg 的光子透过。所以要求半导体物质能隙最好为 0 . 62ev (1ev = 1 . 602 × 10 -19 J) , 即 9